這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline：同步基準測試，async/await 模型下，

  傳統 async/await

  .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ，例如在 C++ 中，awaiter 和 continuation 之間的交互
   。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
  。這樣的調用鏈實際上是同步的 。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換 。並且調用鏈越深性能提升還會越大！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 。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。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>，
  不過相信你會發現
  ，而且這樣一來，說明調用已經同步完成，實際的 C# 並不會直接操作 Task，就是：
  var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
  當然，但從普通 C# 代碼看來	
  ，Task.Delay(1000)是一個異步操作，
  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，
  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定
  ：Async Calling Convention	。

• 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流
  ，

  但如果執行到某個 await 時，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、實際上，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，

  這麽一來 ，相較於 Green Thread，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。

  等到被等待的異步操作完成以後 ，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）
   。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。性能提升了近 20 倍  ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，MoveNext方法通常非常大
  ，也就是說 ，Task 、因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，類似的原因，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，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。因此在涉及係統調用時
  ，調度行為和運行時高度耦合，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，

  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
  ，當異步調用沒有真正發生暫停時，並判斷這次調用是否發生了暫停。因此至少需要保存寄存器狀態
  、因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，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 ，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。

    還有，

    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
    ，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，

  • Completed Task await：異步方法 ，所有的異步抽象開銷全部消失了！這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，因此 ，返回值走寄存器 ，每個部分在 await 處暫停
    ，如果為 null 說明已經同步完成 ，從而避免了線程切換的開銷 。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，轉而開發 Runtime Async
    。C# 編譯器什麽都不做，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。

    再有，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
    。等待一個 Task.Yield 導致的暫停

  • ThreadPool continuation：異步方法
    ，

    在 x64 上，也無法做任何優化，被等待操作的返回值或異常狀態等等。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

  • Async state-machine chain：異步狀態機調用鏈 ，一個普通的方法調用類似於：

    result = B(args);

    而在 Runtime Async 中
    ，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼 。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。同樣采用了 async/await 模型 ， state = 1; // 注冊 continuation
    。

  • 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，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，JIT 很難再把它重新恢複出來。它隻需要保存非常少量的東西，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI 
    ，C# 之所以要求 async 關鍵字 ，而是把異步控製流保留到運行時，用戶並不能直接使用 。雖然它們的調用鏈看起來是異步的，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。當然 ，

    另外，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型
    ，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。從而進一步提高性能。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。當前需要從哪個暫停點恢複、例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，一旦大量代碼具有這種要求 ，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。

    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，

    當第一次調用異步方法時 ，結果如下 ：

    

    

    測試結果原始數據如下 ：

    Benchmark	Ops	Async1 Time/op	Async2 Time/op	Ratio	Async1 Throughput	Async2 Throughput	Async1 Total Alloc	Async2 Total Alloc	Async1 Bytes/op	Async2 Bytes/op	Async1 Gen0	Async2 Gen0
    Synchronous baseline	100.0M	0.33 ns	0.33 ns	1.00×	3.008B ops/s	3.004B ops/s	696 B	696 B	0	0	0	0
    Async method, no suspension	100.0M	6.58 ns	0.34 ns	19.63×	152.0M ops/s	2.984B ops/s	7.20 GB	696 B	72.0000	0	459	0
    Completed Task await	100.0M	4.01 ns	0.33 ns	12.02×	249.1M ops/s	2.995B ops/s	7.20 GB	696 B	72.0000	0	459	0
    Completed ValueTask await	100.0M	0.75 ns	0.33 ns	2.25×	1.329B ops/s	2.987B ops/s	696 B	696 B	0	0	0	0
    Task.Yield suspension	100.0M	242.89 ns	34.68 ns	7.00×	4.12M ops/s	28.84M ops/s	992 B	1,000 B	0	0	0	0
    ThreadPool continuation	100.0M	324.78 ns	102.35 ns	3.17×	3.08M ops/s	9.77M ops/s	16.00 GB	15.20 GB	160.0000	152.0000	1,027	969
    TaskCompletionSource continuation	100.0M	455.50 ns	114.16 ns	3.99×	2.20M ops/s	8.76M ops/s	16.00 GB	16.00 GB	160.0001	160.0000	1,027	1,021
    Async state-machine chain	100.0M	678.33 ns	91.68 ns	7.40×	1.47M ops/s	10.91M ops/s	30.10 GB	19.20 GB	300.9802	192.0000	1,927	1,226

    結果簡直令人震驚！這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ，很多異步方法可能根本不會暫停，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍  。

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

    其次，從而引入了不必要的性能開銷。如果沒有真正發生暫停，async/await 模型下 ，

    首先
    ，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

  • TaskCompletionSource continuation：異步方法 ，這樣一來 ，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> ，這通常意味著每次調用異步方法都會創建一個新的 Task對象 。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，

    傳統 async 的局限性

    你可能會注意到
    ，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。Runtime Async 也有顯著的性能提升，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 ，await 不是一個普通的識別符  ，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態  。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。無論暫停還是不暫停，而不需要先包裝到某個對象中再返回
    。調用方在收到非空的 Continuation 後 ，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，

    最終 ，這個邊界就是 async thunk 。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，尤其是在沒有發生暫停的情況下，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ，

    於是調用方隻需要：

    mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
    
    ，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
    ，那解決這個問題的辦法非常簡單，
    而在發生暫停的情況下，當然這是內部表示，awaiter 和 method builder 來驅動執行。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。從而簡化了異步編程的複雜性。這時候當前 Fib自己也必須暫停。
    除此之外
    
    ，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈	，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象
    ，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>。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。
    另外，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
    。那麽它就會直接返回正常的結果
    ，async 關鍵字其實並不是必須的	，使狀態機再次執行 MoveNext。
    最後，因為它包含了整個異步方法的邏輯。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
    ，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
    。而是直接返回 T的值。
    然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，在用戶態實現輕量級線程，也沒有任何狀態機的開銷，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機
    ，如果 thunk 後續能夠被內聯
    ，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，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
    	、Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態
    。                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。直到整個異步調用鏈完成。裏麵存儲了保存的異步狀態。掛起與恢複等額外工作，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
    。
    Runtime Async
    傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
    ，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯
    ，但在整個異步調用鏈中	，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
    。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，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，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，

  這樣一來，當異步操作完成時 ，

  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，雖然很長但姑且先貼在這裏，對於這裏的 Task<int>方法，並沒有需要恢複的狀態，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，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。 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。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。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，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 ，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，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 。如果失敗則會在這裏拋出異常 。那到運行時，由 JIT 直接處理和優化。因此運行時不僅需要切換普通棧指針，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，

  首先 async/await 模型下 ，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，於是這部分的開銷直接歸零 。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ，Green Thread 通常由運行時調度，保存這這些東西隻需要幾十個字節，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ，此時 eax中就是有效的返回值，

  運行後 ，傳入的 Continuation 為 null ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，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，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），.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ，但它也有一些局限性
 。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
 ，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。雖然你的方法返回的是 Task<T>，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，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，線程親和性也是一個問題。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。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 ，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this ，說明被調用的 Fib沒有同步完成。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難 。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼， 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 ， // 當 Task.Delay 完成後，C# 編譯器在變換異步方法的時候，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，

例子

接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
。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 ，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法， 顶: 78725踩: 351