詳解

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

mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

mov      rcx, r12ret

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

var result1 = Fib(n - 1);var result2 = Fib(n - 2);return result1 + result2;

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

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;

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

class StateMachine{     private int state = 0;    // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>
，這樣一來，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態
，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點
。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，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，
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，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的	。C# 編譯器什麽都不做
，
而這個 thunk 中其實也有前麵說過的類似代碼

：
xor      rsi, rsicall     [Program:Fib(int):int:this]mov      ebx, eaxtest     rcx, rcx       ; Continuation 是否為 null
也就是先調用真正的 Runtime Async 方法後
，等待一個已經完成的 ValueTask

await Fib(n - 1)

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

eax = Fib 的 int 返回值rcx = Continuation

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

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

這樣一來 ，用戶並不能直接使用 。也就是說  ，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。但實際上大部分負載都是同步的 。而不需要先包裝到某個對象中再返回 。

在 x64 上，awaiter 和 continuation 之間的交互
。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，當代碼最終交給 JIT 時，隻要目標架構的調用約定允許，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成 ，於是這部分的開銷直接歸零 。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記
，傳入的 Continuation 為 null，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，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> ，線程親和性也是一個問題 。Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。一個普通的方法調用類似於 ：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍 ，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。當前需要從哪個暫停點恢複、執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。並且調用鏈越深性能提升還會越大！並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。如果為 null 說明已經同步完成，MoveNext方法通常非常大，

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，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。被等待操作的返回值或異常狀態等等。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！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
，說明調用已經同步完成，Task、這時候當前 Fib自己也必須暫停 。C# 之所以要求 async 關鍵字
，會觸發此前注冊的 continuation，

上述問題在暫停真正發生的情況下其實並不是什麽太大的問題 ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。async/await 模型下， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。這通常意味著每次調用異步方法都會創建一個新的 Task對象 。

等到被等待的異步操作完成以後
，相較於 Green Thread，從而簡化了異步編程的複雜性。在用戶態實現輕量級線程 ，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，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 ，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ，而是一係列狀態機 、由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline：同步基準測試，

  除此之外 ，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，從而減少內存分配
  。

  傳統 async 的局限性

  你可能會注意到，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
  ，也沒有任何狀態機的開銷，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，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。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停 。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，

  這麽一來，並判斷這次調用是否發生了暫停。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。

  .NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，

  這一套機製也真正實現了 pay for play
  ：不暫停就不為異步抽象付費，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，C# 編譯器在變換異步方法的時候，

  如果 rcx == null  ， mov rdi, rcx mov rsi, 0x... ; Continuation call [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION] mov r12, rax mov dword ptr [r12+0x48], ebx ; 保存 n 的值 ; ... 保存其他需要保存的狀態 ... mov rcx, r12 ; return Continuation retSUSPEND_SECOND: ; Fib(n - 2) 暫停了，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，額外的 Continuation 也走寄存器
  ，但在整個異步調用鏈中，

  另外，對於這裏的 Task<int>方法，直接原地慢了 5 倍以上  
  。JIT 很難再把它重新恢複出來。

  運行後 ，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，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。
    等待一個 Task.Yield 導致的暫停
  • ThreadPool continuation：異步方法 ，從而進一步提高性能。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，Green Thread 通常由運行時調度 ，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
    。
  • 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ，在所有測試中，

    也就是說
    ，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，

    Runtime Async

    傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，保存這這些東西隻需要幾十個字節，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
，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、此時 eax中就是有效的返回值，說明發生了暫停

    就可以同時獲得異步方法的返回結果，

    總結

    Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。既然 C# 編譯器無法判斷
    ，所有的異步抽象開銷全部消失了 ！Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多
    。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
    ，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態 。就是：

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

    當然，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流  ，測試代碼見 ：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  。性能提升了近 20 倍，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，

    不過相信你會發現，如果沒有真正發生暫停，

    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，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。裏麵存儲了保存的異步狀態	
    。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。被等待的異步操作尚未完成，隨後再根據需要動態擴張	，從而避免了線程切換的開銷
    。    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。如果 thunk 後續能夠被內聯
    ，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、掛起與恢複等額外工作，await 不是一個普通的識別符
    ，轉而開發 Runtime Async。最裏層由 Task.Yield 導致暫停

  測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async（Async2），從而編譯器會以 await 為邊界 ，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度， 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，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。

  另外 
  ，

  於是調用方隻需要：

  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象
  ，雖然它們的調用鏈看起來是異步的
  
  ，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗
  ，因此在涉及係統調用時
  
  ，再額外傳遞一個 Continuation 對象。甚至需要操作係統提供專門的支持。async 關鍵字其實並不是必須的，直到 Task.Delay完成	，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，下麵會解釋。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。說明被調用的 Fib沒有同步完成。也沒有任何狀態機的開銷
  	。直接返回結果
  	。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，直接調用普通方法

• Async method, no suspension：異步方法，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，