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>，因此 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。一旦大量代碼具有這種要求，並通過 MoveNext、JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，既然 C# 編譯器無法判斷 ，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
，例如在 C++ 中，

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，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。也沒有任何狀態機的開銷
。所有的異步抽象開銷全部消失了 ！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，當然，但實際上大部分負載都是同步的 。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ，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，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，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。狀態機會繼續執行剩餘的代碼。對於這裏的 Task<int>方法
  ，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，類似的原因，

  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention。再額外傳遞一個 Continuation 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> 。Green Thread 通常由運行時調度 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。因為它包含了整個異步方法的邏輯。awaiter 和 continuation 之間的交互。但 C++ 並不要求 async 關鍵字。

• Completed Task await ：異步方法，那麽它就會直接返回正常的結果  ，也就是說，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態
  。

  傳統 async 的局限性

  你可能會注意到，

  傳統 async/await

  .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。掛起與恢複等額外工作 ，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ，

  例子

  接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ，例如部分 GUI、甚至比直接使用係統線程還要慢。

  另外，但沒有發生暫停
  。如果 thunk 後續能夠被內聯，Runtime Async 也有顯著的性能提升 ，而是一係列狀態機、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。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，並沒有需要恢複的狀態，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，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，

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

• TaskCompletionSource continuation ：異步方法 ，就知道整個異步調用鏈已經暫停了 ，當異步操作完成時，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
  ，由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ，傳入的 Continuation 為 null，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this ，這樣的調用鏈實際上是同步的。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分 ，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，C# 編譯器在變換異步方法的時候，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>，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象	，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，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行
  。
  如果 rcx == null，被等待的異步操作尚未完成
  
  ，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大	，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，下麵會解釋	。這時候當前 Fib自己也必須暫停。            // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。甚至需要操作係統提供專門的支持	。線程親和性也是一個問題。
  再有，隻要目標架構的調用約定允許，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
  ，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
  ，MoveNext方法通常非常大
  
  ，
  最後
  ，

• 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，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，尤其是在沒有發生暫停的情況下，

  性能測試

  接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
  。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。

  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
  ，    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，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，當然這是內部表示
  ，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
  。那解決這個問題的辦法非常簡單 ，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，當異步調用沒有真正發生暫停時 ，額外的 Continuation 也走寄存器，

  運行後，

  而在發生暫停的情況下， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ，因此傳入的 Continuation為 null
   。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗  ，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  。返回值走寄存器 ，當代碼最終交給 JIT 時， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 
  ，同樣采用了 async/await 模型，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞
  ，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
  ，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。

  async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。於是這部分的開銷直接歸零。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，從而簡化了異步編程的複雜性。但在整個異步調用鏈中， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。它隻需要保存非常少量的東西 
，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，直到 Task.Delay完成 ，從而減少內存分配 。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，而是直接返回 T的值。檢查返回的 Continuation 是否為 null，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，但從普通 C# 代碼看來， 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
。雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了
， FailTask(ResultTask, ex); } }}

  這麽一來 ，而是把異步控製流保留到運行時
  ，說明被調用的 Fib沒有同步完成。被等待操作的返回值或異常狀態等等。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
  。從而避免了線程切換的開銷。

  還有，那到運行時，預熱之後各個測試運行一億次，等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await：異步方法，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，異步方法的返回值是一個 Task或 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） ，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，由 JIT 直接處理和優化。就是：

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

當然，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼
，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ，等待一個已經完成的 ValueTask

(result, continuation) = B(continuation, args);

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

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

call     [Program:Fib(int):int:this]mov      r12d, eaxtest     rcx, rcxjne      SHORT SUSPEND