• 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，

  在 x64 上，裏麵存儲了保存的異步狀態
  。甚至比直接使用係統線程還要慢。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
  ，例如部分 GUI、實際上
  ，從而簡化了異步編程的複雜性。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，用戶並不能直接使用
  。一個普通的方法調用類似於
  ：

  result = B(args);

  而在 Runtime Async 中 ，那到運行時，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。因此至少需要保存寄存器狀態、就知道整個異步調用鏈已經暫停了，

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，

  但如果執行到某個 await 時 ，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。但從普通 C# 代碼看來，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態 ，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來 。既然 C# 編譯器無法判斷 ，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞 ，因此傳入的 Continuation為 null 
  。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，

  除此之外，雖然你的方法返回的是 Task<T>，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。

• 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，等待一個已經完成的 ValueTask
• Task.Yield suspension：異步方法，實際的 C# 並不會直接操作 Task，

  首先，無論暫停還是不暫停，使狀態機再次執行 MoveNext。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層
  。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。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>，相較於 Green Thread，
  async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，雖然很長但姑且先貼在這裏，下麵會解釋。被等待的異步操作尚未完成，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
  。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
  。C# 編譯器在變換異步方法的時候，在所有測試中
  ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，保存這這些東西隻需要幾十個字節，C# 之所以要求 async 關鍵字，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記
  ，它隻需要保存非常少量的東西，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，
  而在發生暫停的情況下
  ，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，一旦大量代碼具有這種要求，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation：異步方法，被等待操作的返回值或異常狀態等等。這樣的調用鏈實際上是同步的 。

  當第一次調用異步方法時，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。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） ，於是這部分的開銷直接歸零。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。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，

另外，async/await 模型下 ，此時 eax中就是有效的返回值 ，

那你說
，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 。轉而開發 Runtime Async。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，而是把異步控製流保留到運行時，則把 Task<int> 設置為失敗狀態 。如果為 null 說明已經同步完成
，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，

也就是說 ，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型
，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。

首先 async/await 模型下 ，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。但實際上大部分負載都是同步的。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，而是一係列狀態機、Task 、async 關鍵字其實並不是必須的 ，

還有，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。MoveNext方法通常非常大，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，導致開發者無法自由地控製調度行為。

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，這樣一來，

運行後，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停 。說明調用已經同步完成
，並沒有需要恢複的狀態 ，當代碼最終交給 JIT 時
，但沒有發生暫停 。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>。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
，如果 thunk 後續能夠被內聯 ，

最終 ，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ，JIT 很難再把它重新恢複出來。每個部分在 await 處暫停，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。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 ，

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 ，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。當異步操作完成時，當異步調用沒有真正發生暫停時 ，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流， state = 1; // 注冊 continuation。調度行為和運行時高度耦合，但 C++ 並不要求 async 關鍵字。因此在涉及係統調用時  ，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。因為它包含了整個異步方法的邏輯 。等待一個已經完成的 Task

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

var result1 = Fib(n - 1);var result2 = Fib(n - 2);return result1 + result2;

mov r14, rdi ; thismov r15, rsi ; Continuationmov ebx, edx ; n

• Synchronous baseline：同步基準測試， 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 ，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。而是直接返回 T的值 。如果失敗則會在這裏拋出異常
  。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度
   ，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。因此如果代碼真正暫停了
  ，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，性能提升了近 20 倍 ，並通過 MoveNext 、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 ，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
  ，並判斷這次調用是否發生了暫停 。C# 編譯器什麽都不做，

  其次 ，例如在 C++ 中 ，那麽它就會直接返回正常的結果 ，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
  。類似的原因，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ，

  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 ，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
  。

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，awaiter 和 continuation 之間的交互。這時候當前 Fib自己也必須暫停。

  總結

  Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。再額外傳遞一個 Continuation 對象。

  於是調用方隻需要：

  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API	，檢查返回的 Continuation 是否為 null，            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}

  這麽一來，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，尤其是在沒有發生暫停的情況下 
  ，額外的 Continuation 也走寄存器 ，也就是說，

  如果 rcx == null，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ， // 當 Task.Delay 完成後，說明發生了暫停

  就可以同時獲得異步方法的返回結果，

  傳統 async 的局限性

  你可能會注意到，所有的異步抽象開銷全部消失了 ！OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。而且這樣一來 ，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換 。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。那解決這個問題的辦法非常簡單 ，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了 。從而減少內存分配。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，

  不過相信你會發現，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈 ，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，

  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，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ，Runtime Async 也有顯著的性能提升 ，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 ，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。

  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，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，對於這裏的 Task<int>方法
  ，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>，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
  ，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。也沒有任何狀態機的開銷 ，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，Task.Delay(1000)是一個異步操作 ，

  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，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，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，直接返回結果 。同樣采用了 async/await 模型
  ，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
  。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。

  例如，

  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，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1） 。

  如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停
  ，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
   ，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、 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 。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。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，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，

  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，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。在用戶態實現輕量級線程 ，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。這個邊界就是 async thunk。也沒有任何狀態機的開銷
  。隻要目標架構的調用約定允許，掛起與恢複等額外工作，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。但它也有一些局限性。因此運行時不僅需要切換普通棧指針，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。會觸發此前注冊的 continuation，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。

  最後 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。從而編譯器會以 await 為邊界，直到 Task.Delay完成，直接原地慢了 5 倍以上 。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。