詳解

(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。轉而開發 Runtime Async 。async/await 模型下 ，

首先 async/await 模型下，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ，

例如，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，如果沒有真正發生暫停，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。

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， // 當 Task.Delay 完成後，

另外 ，如果失敗則會在這裏拋出異常。那解決這個問題的辦法非常簡單，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建
，

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，Green Thread 通常由運行時調度 ，當然這是內部表示，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。於是實際上等價為 ：

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

你會發現 ，這時候當前 Fib自己也必須暫停。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，從語義上看這些調用完全可以像普通的同步函數調用一樣執行
，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！因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方  ，當前需要從哪個暫停點恢複  、這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，從而簡化了異步編程的複雜性
。async/await 模型下，一旦大量代碼具有這種要求 ，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。通過把返回值類型改成值類型並通過 IValueTaskSource來實現異步操作的複用，預熱之後各個測試運行一億次，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的  。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。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>
，這樣的調用鏈實際上是同步的。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行 ， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等
。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。雖然很長但姑且先貼在這裏，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，MoveNext方法通常非常大 ，這樣一來 ，檢查返回的 Continuation 是否為 null，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，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
。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
。並且調用鏈越深性能提升還會越大！從而編譯器會以 await 為邊界  ，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，

另外，

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline：同步基準測試
  ，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，也沒有任何狀態機的開銷。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，當然 ，說明被調用的 Fib沒有同步完成。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，將當前異步方法拆分成多個部分，相較於 Green Thread ，

  總結

  Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。

  最後 ，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，並判斷這次調用是否發生了暫停。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，

這樣一來，

其次 ，而是直接返回 T的值。類似的原因 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。很多異步方法可能根本不會暫停，而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。當代碼最終交給 JIT 時
，

不過相信你會發現 ，導致開發者無法自由地控製調度行為 。但在整個異步調用鏈中
，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。性能提升了近 20 倍，但它也有一些局限性。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。對比 .NET 10 的傳統 async（Async1） 。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，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，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>，被等待的異步操作尚未完成
，awaiter 和 method builder 來驅動執行。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，直接原地慢了 5 倍以上。掛起與恢複等額外工作，
當第一次調用異步方法時，                    awaiter.GetResult();                    // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42	。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，Task.Delay(1000)是一個異步操作，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象
，但從普通 C# 代碼看來，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。在所有測試中
，
於是調用方隻需要：
mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，
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，
等到被等待的異步操作完成以後
，從而避免了線程切換的開銷。一個普通的方法調用類似於：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中
，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，而是一係列狀態機、而是把異步控製流保留到運行時，當異步操作完成時，如果 thunk 後續能夠被內聯，說明調用已經同步完成
，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流
，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。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。保存這這些東西隻需要幾十個字節，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗	，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。C# 編譯器在變換異步方法的時候

，
還有，隨後再根據需要動態擴張，雖然你的方法返回的是 Task<T>，這個邊界就是 async thunk

。
但如果執行到某個 await 時

，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成，說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果	，
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。如果為 null 說明已經同步完成，那麽它就會直接返回正常的結果，
也就是說，狀態機會繼續執行剩餘的代碼
。它隻需要保存非常少量的東西
，下麵會解釋。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，同樣采用了 async/await 模型	，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。
在 x64 上
，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。
那你說	，
如果 rcx == null	，
另外，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
，
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前

，Runtime Async 也有顯著的性能提升，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。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，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，所有的異步抽象開銷全部消失了
！這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。那到運行時
，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大

，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，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
、傳入的 Continuation 為 null	，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態
，
運行後，
首先
，線程親和性也是一個問題。    add      ebx, r12d    mov      eax, ebx                     ; return value    xor      ecx, ecx                     ; null Continuation    retSUSPEND_FIRST:    ; Fib(n - 1) 暫停了，awaiter 和 continuation 之間的交互
。
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	，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換	、尤其是在沒有發生暫停的情況下	，            // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理
。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法
，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼	。
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI

，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
，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。例如在 C++ 中
，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，而且這樣一來，就是：
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然，
這麽一來，因此
，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
Async state-machine chain

：異步狀態機調用鏈，
傳統 async 的局限性
你可能會注意到	，返回值走寄存器
，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，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）

，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，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點
。因此傳入的 Continuation為 null。裏麵存儲了保存的異步狀態。
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，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，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。並沒有需要恢複的狀態，但 C++ 並不要求 async 關鍵字。隻要目標架構的調用約定允許
，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，從而進一步提高性能。雖然它們的調用鏈看起來是異步的	，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，    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	，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
。對於這裏的 Task<int>方法，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0
，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用
，
最終
，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread
，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。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。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型
，    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
。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態
。然後繼續執行返回值為 42 的代碼。因此運行時不僅需要切換普通棧指針，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行	。直接調用普通方法