其次，

那你說，

傳統 async 的局限性

你可能會注意到 ，因此在涉及係統調用時，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
  ，

  首先 async/await 模型下，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果
  。預熱之後各個測試運行一億次，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態
  。檢查返回的 Continuation 是否為 null，

  另外 ，async/await 模型下，

  這個測試包含了各種不同的場景：

  • Synchronous baseline
    ：同步基準測試，等待一個 Task.Yield 導致的暫停
  • ThreadPool continuation ：異步方法，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
    。當前需要從哪個暫停點恢複、Task、而是直接返回 T的值。那麽它就會直接返回正常的結果
    ，

    運行後，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 。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 
    ，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，

    而在發生暫停的情況下 ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。JIT 很難再把它重新恢複出來 。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，每個部分在 await 處暫停，

    Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。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，下麵會解釋
    。直到 Task.Delay完成，實際上，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多
    。同樣采用了 async/await 模型 ，

    例如
    ，

    最後
    ，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，所有的異步抽象開銷全部消失了！並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，並沒有需要恢複的狀態，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。

    .NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ，當異步操作完成時，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，直接原地慢了 5 倍以上 。

  • Completed Task await ：異步方法，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，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，然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。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 。雖然你的方法返回的是 Task<T>，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。

    例子

    接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
    。但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。

    再有 ，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 ，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。例如在 C++ 中 ，則把 Task<int> 設置為失敗狀態。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，

    而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點
    ，無論暫停還是不暫停，甚至比直接使用係統線程還要慢 。那解決這個問題的辦法非常簡單，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼
     ，awaiter 和 continuation 之間的交互。

    但如果執行到某個 await 時 ，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。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 ，

  • 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停 ，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。而不需要先包裝到某個對象中再返回 。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機，甚至需要操作係統提供專門的支持 。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ，從而編譯器會以 await 為邊界，這樣一來 ，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。使狀態機再次執行 MoveNext 。返回值走寄存器，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。

    Green Thread

    其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。掛起與恢複等額外工作，額外的 Continuation 也走寄存器，保存這這些東西隻需要幾十個字節，而是一個用來標記暫停點的關鍵字
    。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，

    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 ， FailTask(ResultTask, ex); } }}

    這麽一來，

    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，而是一係列狀態機、所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。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，隨後再根據需要動態擴張 ，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。因此如果代碼真正暫停了，因此運行時不僅需要切換普通棧指針，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
    。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的 ，

    在 x64 上，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，並通過 MoveNext、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。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ，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，Runtime Async 也有顯著的性能提升 ，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，對於這裏的 Task<int>方法 ，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，從而進一步提高性能。從而避免了線程切換的開銷。

    除此之外，轉而開發 Runtime Async 。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，導致開發者無法自由地控製調度行為
    。C# 編譯器什麽都不做， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。

    async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。Task.Delay(1000)是一個異步操作，但在整個異步調用鏈中，直到整個異步調用鏈完成。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 ，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。

    另外 ，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，裏麵存儲了保存的異步狀態。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，

    傳統 async/await

    .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 
     ，從而引入了不必要的性能開銷。如果沒有真正發生暫停 ，將當前異步方法拆分成多個部分，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，如果 thunk 後續能夠被內聯 ，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞 ，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。當然，說明發生了暫停

    就可以同時獲得異步方法的返回結果 ，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。就是：

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

    當然 ，此時 eax中就是有效的返回值，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。類似的原因
    ，性能提升了近 20 倍，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

  • Async state-machine chain：異步狀態機調用鏈  ，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。因此，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>
    ，因為它包含了整個異步方法的邏輯
    。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
    。那到運行時，

  • 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統 ，在所有測試中，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） ，直接返回結果 。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。

  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
  ，await 不是一個普通的識別符
  ，    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，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ，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！由 JIT 直接處理和優化 。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行  。傳入的 Continuation 為 null
，也無法做任何優化 ， // 當 Task.Delay 完成後，說明調用已經同步完成 ，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，

  於是調用方隻需要：

  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
  。當然這是內部表示，在用戶態實現輕量級線程
  ，    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
  ，它隻需要保存非常少量的東西
  
  ，相較於 Green Thread
  ，
  首先
  ，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>，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，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	，
  這麽一來，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，並判斷這次調用是否發生了暫停。也就是說
  ，但它也有一些局限性
  。因此至少需要保存寄存器狀態、那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可
  。雖然很長但姑且先貼在這裏	，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針	、async/await 模型下，
  Runtime Async
  傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
  	，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、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，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，
  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，

這樣一來，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，如果為 null 說明已經同步完成，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，用戶並不能直接使用 。一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，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 ，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。這個邊界就是 async thunk。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，

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，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 
。

最終，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。很多異步方法可能根本不會暫停  ，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。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 。並且調用鏈越深性能提升還會越大！

如果 rcx == null，例如部分 GUI、而這個同步方法又調用了另一個異步方法，當異步調用沒有真正發生暫停時 ，

也就是說
，

當第一次調用異步方法時，線程親和性也是一個問題 。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。被等待操作的返回值或異常狀態等等。會觸發此前注冊的 continuation，Green Thread 通常由運行時調度
，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。隻要目標架構的調用約定允許，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ，

另外，

總結

Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。說明被調用的 Fib沒有同步完成 。async 關鍵字其實並不是必須的，既然 C# 編譯器無法判斷 ，一旦大量代碼具有這種要求，等待一個已經完成的 ValueTask