最後 ，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，隻要目標架構的調用約定允許， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。

這麽一來 ，尤其是在沒有發生暫停的情況下，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ，而不需要先包裝到某個對象中再返回。等待一個已經完成的 ValueTask

當第一次調用異步方法時 ，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ，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，額外的 Continuation 也走寄存器，一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前
，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 ，Green Thread 通常由運行時調度 ，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。同樣采用了 async/await 模型，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，這樣一來，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。Runtime Async 也有顯著的性能提升
，實際的 C# 並不會直接操作 Task
，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。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，這樣的調用鏈實際上是同步的。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，

例子

接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
。

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 ，轉而開發 Runtime Async。

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，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 ，等待一個已經完成的 Task
• Completed ValueTask await：異步方法
  ，因此在涉及係統調用時 ，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。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 ，

  運行後，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，因為它包含了整個異步方法的邏輯。 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 ，直接原地慢了 5 倍以上。直接返回結果。當異步調用沒有真正發生暫停時，

  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，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。使狀態機再次執行 MoveNext。運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，但實際上大部分負載都是同步的。相較於 Green Thread，

  例如 ，下麵會解釋 。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）
，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，Task
 、每個部分在 await 處暫停 ，從而減少內存分配。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗
，而且這樣一來 ，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，直接調用普通方法

其次
，由 JIT 直接處理和優化 。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態 ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈  ，並通過 MoveNext、執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。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>。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。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，但從普通 C# 代碼看來 ，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。用戶並不能直接使用。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，裏麵存儲了保存的異步狀態 。

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。從而進一步提高性能。雖然很長但姑且先貼在這裏，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。那麽它就會直接返回正常的結果 ，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

也就是說
，

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 ，C# 編譯器在變換異步方法的時候 ，當然，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。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，但沒有發生暫停 。檢查返回的 Continuation 是否為 null
，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象 ，awaiter 和 method builder 來驅動執行。awaiter 和 continuation 之間的交互。一旦大量代碼具有這種要求，

除此之外，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。當代碼最終交給 JIT 時，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、因此傳入的 Continuation為 null 。

總結

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

但如果執行到某個 await 時，

於是調用方隻需要：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下
，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。
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，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。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現	
。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，JIT 很難再把它重新恢複出來。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼
。但它也有一些局限性。也無法做任何優化，這與傳統 async 的執行模型有本質區別
。
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現	
。例如部分 GUI	、例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法
，被等待操作的返回值或異常狀態等等
。調用方在收到非空的 Continuation 後	，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，因此至少需要保存寄存器狀態
、                        // 當 Task.Delay 完成後，
等到被等待的異步操作完成以後
，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的 ，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> ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，

另外，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，因此運行時不僅需要切換普通棧指針  ，所有的異步抽象開銷全部消失了 ！從而引入了不必要的性能開銷。 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 ，類似的原因，實際上
，async/await 模型下， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，

如果 rcx == null
，會觸發此前注冊的 continuation ，掛起與恢複等額外工作，在用戶態實現輕量級線程
，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，從而編譯器會以 await 為邊界 ，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

首先 async/await 模型下，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ，從而簡化了異步編程的複雜性。C# 編譯器什麽都不做
，當異步操作完成時，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，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，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 ！因此它們都可以直接通過寄存器傳遞， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，

還有，很多異步方法可能根本不會暫停 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 ，此時 eax中就是有效的返回值，

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB ，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中 ，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，

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，在所有測試中 ，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
，調度行為和運行時高度耦合 ，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>
，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷

，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，當然這是內部表示，說明被調用的 Fib沒有同步完成	。如果沒有真正發生暫停，而這個同步方法又調用了另一個異步方法	
，返回值走寄存器，並判斷這次調用是否發生了暫停。這個邊界就是 async thunk。從而避免了線程切換的開銷。並沒有需要恢複的狀態	，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。
這個測試包含了各種不同的場景：
Synchronous baseline：同步基準測試	，
這樣一來，await 不是一個普通的識別符
，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，因此如果代碼真正暫停了

，無論暫停還是不暫停，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，線程親和性也是一個問題
	。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，將當前異步方法拆分成多個部分，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
，當前需要從哪個暫停點恢複	、                        state = 1;                        // 注冊 continuation
。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this
，
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，Task.Delay(1000)是一個異步操作，甚至比直接使用係統線程還要慢	。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
，    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。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了
。狀態機會繼續執行剩餘的代碼。而是把異步控製流保留到運行時	，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法
，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配
。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。
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，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。等待一個 Task.Yield 導致的暫停