詳解

於是調用方隻需要 ：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null	，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，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
。
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現
。隻要目標架構的調用約定允許，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。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	。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，async 關鍵字其實並不是必須的	，性能提升了近 20 倍，等待一個已經完成的 ValueTask
Task.Yield suspension	：異步方法

，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，
而在發生暫停的情況下
，測試代碼見
：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。檢查返回的 Continuation 是否為 null
，
除此之外	，將當前異步方法拆分成多個部分，從而引入了不必要的性能開銷	。C# 之所以要求 async 關鍵字	，例如在 C++ 中
，
首先	，Green Thread 通常由運行時調度
，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。
另外，如果為 null 說明已經同步完成	，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，直接調用普通方法
Async method, no suspension	
：異步方法
，既然 C# 編譯器無法判斷
，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，由於 Green Thread 並不是操作係統線程	
，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。雖然它們的調用鏈看起來是異步的
，那麽它就會直接返回正常的結果
，預熱之後各個測試運行一億次
，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈	
，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突	。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。Runtime Async 也有顯著的性能提升，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態	。這個邊界就是 async thunk	。等待一個已經完成的 Task
Completed ValueTask await：異步方法，被等待操作的返回值或異常狀態等等
。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象
，
其次，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，而是把異步控製流保留到運行時
，返回值走寄存器，
另外

，    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，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
 。

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，直接原地慢了 5 倍以上。因此運行時不僅需要切換普通棧指針，而且這樣一來，掛起與恢複等額外工作，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
，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 ，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 ，相較於 Green Thread，

  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，

  總結

  Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製
  。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 
  ，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

• ThreadPool continuation：異步方法 ， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
  。

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。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
  ，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！這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
  、對於這裏的 Task<int>方法，

  就是 ：

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

  當然 ，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，

• 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停 ，它隻需要保存非常少量的東西， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成，直接返回結果 。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯
   ，說明被調用的 Fib沒有同步完成。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，雖然你的方法返回的是 Task<T>
  ，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來 。也沒有任何狀態機的開銷，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。

  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 ，

  例子

  接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。

  當第一次調用異步方法時，

  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。下麵會解釋
  。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。

  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，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現 。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，從而編譯器會以 await 為邊界  ，如果沒有真正發生暫停 ，但在整個異步調用鏈中，在用戶態實現輕量級線程，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ，直到整個異步調用鏈完成 。

  還有，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，Task.Delay(1000)是一個異步操作，當然，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，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 ， // 當 Task.Delay 完成後，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成  ，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
  。 FailTask(ResultTask, ex); } }}

  這麽一來 ，從而進一步提高性能。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、實際的 C# 並不會直接操作 Task
  ，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象，awaiter 和 continuation 之間的交互 。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。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，

  傳統 async/await

  .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，一個普通的方法調用類似於：

  result = B(args);

  而在 Runtime Async 中 ，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

• Async state-machine chain：異步狀態機調用鏈，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ，於是這部分的開銷直接歸零  。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。

這樣一來 ，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
，甚至比直接使用係統線程還要慢 。

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

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

xor      rsi, rsicall     [Program:Fib(int):int:this]mov      ebx, eaxtest     rcx, rcx       ; Continuation 是否為 null

class StateMachine{     private int state = 0;    // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>，
在 x64 上，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。整條調用鏈的數據傳遞形式可以說跟普通同步函數調用沒區別：參數走寄存器，
等到被等待的異步操作完成以後
，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。說明發生了暫停

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

測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async（Async2），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，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。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，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ，

再有，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，裏麵存儲了保存的異步狀態。

例如
，

不過相信你會發現
，當異步調用沒有真正發生暫停時，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 
，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧 ，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成 ，這樣的調用鏈實際上是同步的。

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 ，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，

另外， state = 1; // 注冊 continuation 。await 不是一個普通的識別符，會觸發此前注冊的 continuation，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，當代碼最終交給 JIT 時 ，因此如果代碼真正暫停了 ，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。轉而開發 Runtime Async 。很多異步方法可能根本不會暫停，因為它包含了整個異步方法的邏輯
。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。

最後，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
。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸
，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

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，類似的原因
，
如果 rcx == null
，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。awaiter 和 method builder 來驅動執行
。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍
，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>。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，
這個測試包含了各種不同的場景	：
Synchronous baseline
	：同步基準測試
，        
         
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