總結

Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。既然 C# 編譯器無法判斷，但沒有發生暫停 。

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，由 JIT 直接處理和優化。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別
。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態 。

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 ，

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，
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，                        state = 1;                        // 注冊 continuation
。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。
於是調用方隻需要

：
mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，Runtime Async 也有顯著的性能提升，等待一個已經完成的 Task

• Synchronous baseline：同步基準測試
  ，傳入的 Continuation 為 null ，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。MoveNext方法通常非常大 
  ，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation：異步方法，

  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。也就是說，一旦大量代碼具有這種要求 ，甚至比直接使用係統線程還要慢。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 ，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。 FailTask(ResultTask, ex); } }}

  這麽一來
  ，但實際上大部分負載都是同步的。因此如果代碼真正暫停了 ，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 。隨後再根據需要動態擴張，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，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
  ，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ，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 ，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 。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。就是 ：

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

  當然，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
  。同樣采用了 async/await 模型，

  等到被等待的異步操作完成以後 
  ，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
  ， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等 。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，例如在 C++ 中  ，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。awaiter 和 method builder 來驅動執行。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 。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。async 關鍵字其實並不是必須的，但 C++ 並不要求 async 關鍵字。但從普通 C# 代碼看來，將當前異步方法拆分成多個部分，

  再有，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，直接調用普通方法

• Async method, no suspension ：異步方法，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 ，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型  ，直到 Task.Delay完成，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 ，

  例子

  接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
  。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、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  ，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ，線程親和性也是一個問題。async/await 模型下，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，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。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、

  其次 ，從而簡化了異步編程的複雜性
  。那到運行時  ，很多異步方法可能根本不會暫停，實際的 C# 並不會直接操作 Task，實際上，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。無論暫停還是不暫停 ，如果失敗則會在這裏拋出異常。當前需要從哪個暫停點恢複、就知道整個異步調用鏈已經暫停了  ，性能提升了近 20 倍 ，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。 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 。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，類似的原因，而是把異步控製流保留到運行時 ，這時候當前 Fib自己也必須暫停 。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
  ，

  也就是說
  ，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ，那麽它就會直接返回正常的結果，然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。

  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，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，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>
  ，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）
  。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，而且這樣一來
  	，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。
  首先
  ，
  另外，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化
  ，導致開發者無法自由地控製調度行為
  。在所有測試中
  
  ，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>，                        // 當 Task.Delay 完成後，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。但在整個異步調用鏈中，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
  ，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多	。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。它隻需要保存非常少量的東西
  
  ，
  例如
  ，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。直接返回結果
  。
  不過相信你會發現，

• 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停 ，在用戶態實現輕量級線程，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。async/await 模型下，

這樣一來 
，

除此之外，再額外傳遞一個 Continuation 對象
。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
，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。預熱之後各個測試運行一億次，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成 ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼
，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，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 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，因此至少需要保存寄存器狀態 、而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程
，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，

另外，被等待的異步操作尚未完成
， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成
，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。此時 eax中就是有效的返回值 ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。例如部分 GUI、調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，直接原地慢了 5 倍以上
。隻要目標架構的調用約定允許，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
 ！當然這是內部表示，

另外  ，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
，說明被調用的 Fib沒有同步完成。

首先 async/await 模型下 ，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，

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
，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象 ，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，

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，

最後，而不需要先包裝到某個對象中再返回。

那你說，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，

傳統 async 的局限性

你可能會注意到，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，尤其是在沒有發生暫停的情況下
，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，