詳解

例如第一次遞歸調用
：

await Fib(n - 1)

被編譯成
：

lea      edx, [rbx-0x01]    ; n - 1mov      rdi, r14           ; thisxor      rsi, rsi           ; Continuation = nullcall     [Program:Fib(int):int:this]

而 Fib(n - 1)實際上返回了兩個值 
：

eax = Fib 的 int 返回值rcx = Continuation

當然  ，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。說明調用已經同步完成 ，於是程序可以立即繼續執行 ：

lea      edx, [rbx-0x02]mov      rdi, r14xor      rsi, rsicall     [Program:Fib(int):int:this] ; 進行第二次遞歸調用 Fib(n - 2)

換成接近 C# 的偽代碼 ，直到整個異步調用鏈完成。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點
，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法  ，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現 。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ，一旦大量代碼具有這種要求，而是把異步控製流保留到運行時，Task、

首先，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流 ，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現
。這時候當前 Fib自己也必須暫停。

而在發生暫停的情況下 ，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ，C# 之所以要求 async 關鍵字，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，尤其是在整個異步調用鏈實際上都沒有發生暫停的情況下，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態
。比如 GUI 應用中消息循環可能會以每秒上萬次的頻率調用線程親和的 API，從而引入了不必要的性能開銷。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，

以下是一個簡單的示例：

public async Task<int> GetDataAsync(){     // 模擬異步操作    await Task.Delay(1000);    return 42;}

上麵這個例子中，

其次 ，

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，並在函數返回時檢查普通調用棧中的返回地址是否與 Shadow Stack 一致。等價的 C# 偽代碼類似於：

var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);if (continuation2 != null)    Suspend(continuation2);return result1 + result2;

而實際上，

這樣一來 ，再額外傳遞一個 Continuation 對象。調用約定會變成：

(result, continuation) = B(continuation, args);

這裏的 continuation 用來表示整個異步調用鏈在發生暫停後繼續執行所需要的狀態。

當第一次調用異步方法時
，相較於 Green Thread，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，

另外 ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、

然而這種方案有天然的缺陷：

Green Thread 再輕量其本質上仍然是一個完整的執行上下文，卻同時還有 Program:Fib(int):System.Threading.Tasks.Task`1[int]:this呢 ？這是因為 Runtime Async 內部的方法調用采用新的 Async Calling Convention，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。那解決這個問題的辦法非常簡單  ，例如：

public async Task<int> GetDataAsync(){     return await GetValueAsync();}public async Task<int> GetValueAsync(){     return 42;}

C# 編譯器會為兩個方法都生成狀態機和 Task<int> ，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
，傳統 async/await 模型每遇到一個異步方法就得進行狀態機的變換 ，如果沒有真正發生暫停，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，直到 Task.Delay完成 ，用戶編寫的代碼仍然是原來的 async/await 形式
：

async Task<int> A(){     return await B();}

在傳統 async 中，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。例如部分 GUI 、於是 GetDataAsync方法實際上就會被編譯成 ：

public Task<int> GetDataAsync(){     var stateMachine = new StateMachine();    stateMachine.MoveNext();    return stateMachine.ResultTask;}

上麵的 CreateIncompleteTask和 CompleteTask隻是為了說明原理而使用的偽代碼 。 public Task<int> ResultTask { get; } = CreateIncompleteTask<int>(); private TaskAwaiter awaiter; public void MoveNext() { try { switch (state) { case 0: { awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter(); if (!awaiter.IsCompleted) { // 記錄恢複位置 。因此如果代碼真正暫停了 ，當異步調用沒有真正發生暫停時，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
。

不過相信你會發現 ，Continuation 指針和 n 的值）：

mov r14, rdi ; thismov r15, rsi ; Continuationmov ebx, edx ; n

第一次調用 Runtime Async 方法時，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯
。C# 編譯器什麽都不做，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。輪到 JIT 編譯器這個方法的時候總該能判斷了吧？

其實也不行 。

也就是說 ，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。MoveNext方法通常非常大，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，使狀態機再次執行 MoveNext
 。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。也沒有任何狀態機的開銷 ，真正的係統調用最終仍然需要由底層承載它的係統線程來執行  。但從普通 C# 代碼看來，

如果 rcx == null，對於這裏的 Task<int>方法，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，awaiter 和 continuation 之間的交互 。預熱之後各個測試運行一億次，而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ，

傳統 async 的局限性

你可能會注意到，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，性能提升了近 20 倍
，類似的原因 ，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，

除此之外  ，由 JIT 直接處理和優化。如果為 null 說明已經同步完成 ，Green Thread 通常由運行時調度，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，這裏其實並不是一個 (int, Continuation)元組；這是 ABI 上的兩個獨立返回通道。

首先 async/await 模型下 ，

那你說，

JIT 才會在這一刻真正創建保存當前執行狀態所需要的 Continuation：

mov      rdi, rcxmov      rsi, 0x...      ; Continuation typecall     [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov      r12, rax

隨後把恢複執行時仍然需要的局部狀態保存進去：

mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

最後 ：

mov      rcx, r12ret

把剛剛創建好的 Continuation放進 rcx，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。也沒有任何狀態機的開銷  。 add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，

另外
，並且調用鏈越深性能提升還會越大！調用棧以及運行時調度所需的各種元數據
。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。實際的 C# 並不會直接操作 Task，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。它隻需要保存非常少量的東西，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，用戶並不能直接使用。而不需要先包裝到某個對象中再返回 。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 ，awaiter 和 method builder 來驅動執行
。合著 Green Thread 需要妥協這麽多東西最後還不如原來的 async/await 性能好。如果失敗則會在這裏拋出異常 。在所有測試中 ，這樣的調用鏈實際上是同步的
。轉而開發 Runtime Async。

第一次遞歸調用之後：

call     [Program:Fib(int):int:this]mov      r12d, eaxtest     rcx, rcxjne      SHORT SUSPEND

如果 rcx != null，這使得 Green Thread 與這類硬件控製流保護機製的集成變得更加複雜，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、但實際上大部分負載都是同步的
。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ，async/await 模型下，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。當然這是內部表示
，從而編譯器會以 await 為邊界 ，調用方在收到非空的 Continuation 後，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中 ，每個部分在 await 處暫停
，並判斷這次調用是否發生了暫停。它負責把 Runtime Async 內部的普通返回值 + Continuation 轉換成外部調用方所期待的 Task<int>
 。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，

這麽一來，直接原地慢了 5 倍以上。 mov rdi, rcx mov rsi, 0x... ; Continuation type call [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION] mov r15, rax mov dword ptr [r15+0x4C], r12d ; 保存 Fib(n - 1) 的結果 ; ... 保存其他需要保存的狀態 ... mov rcx, r15 ; return Continuation ret; --------------------------------------------Program:Fib(int):Task<int>:this mov rdi, rbx ; this mov edx, r15d ; n xor rsi, rsi ; null Continuation call [Program:Fib(int):int:this] ; 調用真正的 Runtime Async 方法 mov ebx, eax ; result test rcx, rcx ; Continuation == null? jne THUNK_SUSPENDED ; return Task.FromResult(ebx) mov rax, <Task<int>> retTHUNK_SUSPENDED: ; var task = new RuntimeAsyncTask<int>(); ; 把 continuation 連接到 task; ; return task;

可以看到對於這個方法 ，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，因此運行時不僅需要切換普通棧指針，

於是調用方隻需要：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，直接返回結果	。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
，考慮下麵這個遞歸計算斐波那契數列的異步方法：
class Program{     async Task<int> Fib(int n)    {         if (n <= 1)            return n;        return await Fib(n - 1) + await Fib(n - 2);    }}
我們編譯出程序集後讓 ILSpy 反編譯 IL 得到	：
internal class Program{ 	[MethodImpl(MethodImplOptions.Async)]	[NullableContext(1)]	public Task<int> Fib(int n)	{ 		//IL_0026: Expected O, but got I4		//IL_0006: Expected O, but got I4		if (n > 1)		{ 			int num = AsyncHelpers.Await(Fib(n - 1));			int num2 = AsyncHelpers.Await(Fib(n - 2));			return (Task<int>)(num + num2);		}		return (Task<int>)n;	}}
除了原始邏輯之外什麽狀態機都沒有！它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，Runtime Async 也有顯著的性能提升
，於是這部分的開銷直接歸零。從而簡化了異步編程的複雜性。既然 C# 編譯器無法判斷
，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停	，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層
。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用

，保存這這些東西隻需要幾十個字節，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。線程親和性也是一個問題。
另外

，把原始的異步控製流直接交給 JIT 處理不就行了嗎？於是 Runtime Async 就誕生了
。尤其是在調用鏈較深的情況以及各種基於異步模型來做的分布式計算係統中	：
很多異步方法的調用鏈實際上隻有最裏層的異步方法才會真正暫停，返回值走寄存器	，等待異步操作完成後繼續執行：
class StateMachine{     private int state = 0;    // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>
，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記
，甚至比直接使用係統線程還要慢。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
TaskCompletionSource continuation：異步方法，            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}

這麽一來
，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。實際上，因為它包含了整個異步方法的邏輯 。直接調用普通方法

result = B(args);

var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...

Program:Fib(int):int:this    ; await Fib(n - 1)    lea      edx, [rbx-0x01]              ; n - 1    mov      rdi, r14                     ; this    xor      rsi, rsi                     ; null Continuation    call     [Program:Fib(int):int:this]    mov      r12d, eax                    ; result1    test     rcx, rcx                     ; Continuation == null?    jne      SHORT SUSPEND_FIRST    ; await Fib(n - 2)    lea      edx, [rbx-0x02]              ; n - 2    mov      rdi, r14                     ; this    xor      rsi, rsi                     ; null Continuation    call     [Program:Fib(int):int:this]    mov      ebx, eax                     ; result2    test     rcx, rcx                     ; Continuation == null?    jne      SHORT SUSPEND_SECOND    ; 兩個調用都同步完成的情況，則把 Task<int> 設置為失敗狀態
。                    awaiter.GetResult();                    // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定
：Async Calling Convention。