詳解

如果 rcx == null，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，也沒有任何狀態機的開銷。甚至需要操作係統提供專門的支持。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
、但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，直接調用普通方法

public async Task<int> GetDataAsync(){     return await GetValueAsync();}public async Task<int> GetValueAsync(){     return 42;}

mov      rdi, rcxmov      rsi, 0x...      ; Continuation typecall     [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov      r12, rax

mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

mov      rcx, r12ret

public Task<int> GetDataAsync(){     var stateMachine = new StateMachine();    stateMachine.MoveNext();    return stateMachine.ResultTask;}

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

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

這樣一來，async/await 模型下 ，因此
，

另外 ，

於是調用方隻需要：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，直到整個異步調用鏈完成
。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
。並通過 MoveNext、尤其是在沒有發生暫停的情況下，被等待的異步操作尚未完成
，                    awaiter.GetResult();                    // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。這個邊界就是 async thunk。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）	，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。JIT 很難再把它重新恢複出來。    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。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，雖然它們的調用鏈看起來是異步的
，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，那到運行時
，                    CompleteTask(ResultTask, 42);                    return;                }            }        }        catch (Exception ex)        {             // 如果在 MoveNext 中拋出了異常	，
最後，並且調用鏈越深性能提升還會越大！
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，等待一個已經完成的 ValueTask
Task.Yield suspension：異步方法，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。
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，如果為 null 說明已經同步完成
，從而編譯器會以 await 為邊界	，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

，    add      ebx, r12d    mov      eax, ebx                     ; return value    xor      ecx, ecx                     ; null Continuation    retSUSPEND_FIRST:    ; Fib(n - 1) 暫停了	，測試代碼見	：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 
。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。從而避免了線程切換的開銷
。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，這樣的調用鏈實際上是同步的。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。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
。當前需要從哪個暫停點恢複、
這個測試包含了各種不同的場景
：
Synchronous baseline：同步基準測試，從而簡化了異步編程的複雜性
。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行	，
更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
，                        state = 1;                        // 注冊 continuation。並判斷這次調用是否發生了暫停。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道	

。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。但 C++ 並不要求 async 關鍵字。但從普通 C# 代碼看來
，    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，會觸發此前注冊的 continuation，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，額外的 Continuation 也走寄存器，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法	，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。同樣采用了 async/await 模型，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
，
但如果執行到某個 await 時，Task
、C# 編譯器什麽都不做，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機
，例如部分 GUI
、於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態
。這與傳統 async 的執行模型有本質區別
。C# 之所以要求 async 關鍵字，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，但它也有一些局限性。
再有，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。因此傳入的 Continuation為 null。用戶並不能直接使用。
傳統 async 的局限性
你可能會注意到，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大
，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法	
，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。導致開發者無法自由地控製調度行為
。
除此之外
，而且這樣一來
，因為它包含了整個異步方法的邏輯。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，檢查返回的 Continuation 是否為 null
，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。此時 eax中就是有效的返回值	，
首先 async/await 模型下	，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	。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，
例如，對於這裏的 Task<int>方法
	，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏	。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	，
那你說，甚至比直接使用係統線程還要慢。當代碼最終交給 JIT 時

，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
	。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別	。使狀態機再次執行 MoveNext
	。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。Runtime Async 都能以最小的開銷執行。
Completed Task await：異步方法，一個普通的方法調用類似於
：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中，直接返回結果
。下麵會解釋
。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

，Task.Delay(1000)是一個異步操作

，
另外，等待一個已經完成的 Task
Completed ValueTask await	：異步方法，    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，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，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！直接原地慢了 5 倍以上。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

async Task<int> A(){     return await B();}

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;

class StateMachine{     private int state = 0;    // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>

，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、從而引入了不必要的性能開銷。等待一個 Task.Yield 導致的暫停

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 模型每遇到一個異步方法就得進行狀態機的變換，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現
。
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，當然這是內部表示	，那麽它就會直接返回正常的結果，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。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，並沒有需要恢複的狀態，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。
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，
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷
，實際的 C# 並不會直接操作 Task，
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
。就是
：
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然，類似的原因	，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	，在所有測試中，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了
，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下	，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，awaiter 和 method builder 來驅動執行。再額外傳遞一個 Continuation 對象。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}

public async Task<int> GetDataAsync(){     // 模擬異步操作    await Task.Delay(1000);    return 42;}