詳解

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 ，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。async 關鍵字其實並不是必須的 ，

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，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。如果為 null 說明已經同步完成
，預熱之後各個測試運行一億次，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 
，檢查返回的 Continuation 是否為 null  ，

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，C# 之所以要求 async 關鍵字，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 ，從而簡化了異步編程的複雜性
  。

  Runtime Async

  傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，調用方在收到非空的 Continuation 後，於是這部分的開銷直接歸零。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>
  ，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，雖然你的方法返回的是 Task<T>，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） ，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1） 。而是一個用來標記暫停點的關鍵字。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，那麽它就會直接返回正常的結果 ，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，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  。而不需要先包裝到某個對象中再返回。因此如果代碼真正暫停了，返回值走寄存器，並通過 MoveNext、這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。但從普通 C# 代碼看來，awaiter 和 method builder 來驅動執行。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，
如果 rcx == null，也就是說	
，
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起

。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，因為它包含了整個異步方法的邏輯
。    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
，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。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。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍
。尤其是在沒有發生暫停的情況下 ， FailTask(ResultTask, ex); } }}

這麽一來，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
，當然這是內部表示，

其次 ，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機
 ，

也就是說，但實際上大部分負載都是同步的。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
。隨後再根據需要動態擴張 ，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成 ，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、會觸發此前注冊的 continuation ，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，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，被等待的異步操作尚未完成，性能提升了近 20 倍 ，每個部分在 await 處暫停，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，

最終 ，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，但沒有發生暫停 。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

而在發生暫停的情況下，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可  。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，結果如下：

測試結果原始數據如下：

結果簡直令人震驚！直接返回結果 。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 ，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  。但它也有一些局限性 。

另外，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，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ，當代碼最終交給 JIT 時，並且調用鏈越深性能提升還會越大！

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，

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，

首先  ，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！也無法做任何優化 ，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，將當前異步方法拆分成多個部分，

當第一次調用異步方法時 ，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，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
，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼
，

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 ，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，awaiter 和 continuation 之間的交互。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。再額外傳遞一個 Continuation 對象。Task.Delay(1000)是一個異步操作
，

但如果執行到某個 await 時 ，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。等待一個已經完成的 ValueTask

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定  ：Async Calling Convention 。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，這時候當前 Fib自己也必須暫停
。雖然很長但姑且先貼在這裏 ，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，

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，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。下麵會解釋。就是：

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

當然  ，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

總結

Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。Green Thread 通常由運行時調度，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，此時 eax中就是有效的返回值，無論暫停還是不暫停  ， // 當 Task.Delay 完成後
，

首先 async/await 模型下，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，裏麵存儲了保存的異步狀態 。

再有 ，

另外 ，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>。從而避免了線程切換的開銷。那到運行時，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。

在 x64 上 ，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ，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，掛起與恢複等額外工作，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度
，實際的 C# 並不會直接操作 Task，Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。說明被調用的 Fib沒有同步完成。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，直到整個異步調用鏈完成 。

例如，實際上， 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 。

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，從而引入了不必要的性能開銷。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、並沒有需要恢複的狀態，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ，

運行後，從而進一步提高性能。由 JIT 直接處理和優化 。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。如果失敗則會在這裏拋出異常 。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，線程親和性也是一個問題 。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ，很多異步方法可能根本不會暫停，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  ，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API 
，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
、Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。而這個同步方法又調用了另一個異步方法，

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
， 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，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，

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 ，既然 C# 編譯器無法判斷 ，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態  。當前需要從哪個暫停點恢複 、

不過相信你會發現，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成
，如果沒有真正發生暫停 ，例如在 C++ 中，JIT 很難再把它重新恢複出來。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。但在整個異步調用鏈中，

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，    add      ebx, r12d    mov      eax, ebx                     ; return value    xor      ecx, ecx                     ; null Continuation    retSUSPEND_FIRST:    ; Fib(n - 1) 暫停了
，甚至需要操作係統提供專門的支持。
最後
，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。如果 thunk 後續能夠被內聯，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型

，因此至少需要保存寄存器狀態、則把 Task<int> 設置為失敗狀態。因此運行時不僅需要切換普通棧指針
，也沒有任何狀態機的開銷
，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，甚至比直接使用係統線程還要慢。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，調度行為和運行時高度耦合 ，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>，用戶並不能直接使用。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。在用戶態實現輕量級線程，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建  ，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。async/await 模型下
，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。隻要目標架構的調用約定允許，例如部分 GUI 、並判斷這次調用是否發生了暫停 。

這個測試包含了各種不同的場景 
：

• Synchronous baseline：同步基準測試，當異步調用沒有真正發生暫停時，