詳解

不過相信你會發現，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。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 ，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。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。

等到被等待的異步操作完成以後 ，

於是調用方隻需要 ：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null	，    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，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。那麽當前異步調用鏈就需要暫停。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換 
。當然 ，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，一個普通的方法調用類似於：

  result = B(args);

  而在 Runtime Async 中 ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯
  。

  運行後，被等待的異步操作尚未完成，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，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，Runtime Async 也有顯著的性能提升 ，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。甚至比直接使用係統線程還要慢。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。直接原地慢了 5 倍以上 。類似的原因 ，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。但實際上大部分負載都是同步的
  。

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

  

  

  測試結果原始數據如下 ：

  Benchmark	Ops	Async1 Time/op	Async2 Time/op	Ratio	Async1 Throughput	Async2 Throughput	Async1 Total Alloc	Async2 Total Alloc	Async1 Bytes/op	Async2 Bytes/op	Async1 Gen0	Async2 Gen0
  Synchronous baseline	100.0M	0.33 ns	0.33 ns	1.00×	3.008B ops/s	3.004B ops/s	696 B	696 B	0	0	0	0
  Async method, no suspension	100.0M	6.58 ns	0.34 ns	19.63×	152.0M ops/s	2.984B ops/s	7.20 GB	696 B	72.0000	0	459	0
  Completed Task await	100.0M	4.01 ns	0.33 ns	12.02×	249.1M ops/s	2.995B ops/s	7.20 GB	696 B	72.0000	0	459	0
  Completed ValueTask await	100.0M	0.75 ns	0.33 ns	2.25×	1.329B ops/s	2.987B ops/s	696 B	696 B	0	0	0	0
  Task.Yield suspension	100.0M	242.89 ns	34.68 ns	7.00×	4.12M ops/s	28.84M ops/s	992 B	1,000 B	0	0	0	0
  ThreadPool continuation	100.0M	324.78 ns	102.35 ns	3.17×	3.08M ops/s	9.77M ops/s	16.00 GB	15.20 GB	160.0000	152.0000	1,027	969
  TaskCompletionSource continuation	100.0M	455.50 ns	114.16 ns	3.99×	2.20M ops/s	8.76M ops/s	16.00 GB	16.00 GB	160.0001	160.0000	1,027	1,021
  Async state-machine chain	100.0M	678.33 ns	91.68 ns	7.40×	1.47M ops/s	10.91M ops/s	30.10 GB	19.20 GB	300.9802	192.0000	1,927	1,226

  結果簡直令人震驚！

  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 ，實際的 C# 並不會直接操作 Task，而不需要先包裝到某個對象中再返回。這樣的調用鏈實際上是同步的。

  如果 rcx == null，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。也就是說
  ，那麽它就會直接返回正常的結果，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， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，直接返回結果。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ，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>，性能提升了近 20 倍 ，使狀態機再次執行 MoveNext
  。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 ，說明被調用的 Fib沒有同步完成
  。返回值走寄存器 ，C# 編譯器在變換異步方法的時候，由 JIT 直接處理和優化。用戶並不能直接使用。async/await 模型下 ，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，它隻需要保存非常少量的東西，傳入的 Continuation 為 null，async/await 模型下，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
  ，

  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
  ，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
  ，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。而是一個用來標記暫停點的關鍵字。

• 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統 ，被等待操作的返回值或異常狀態等等。

  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 ，調度行為和運行時高度耦合，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this ，一旦大量代碼具有這種要求
  ，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，C# 之所以要求 async 關鍵字 ，C# 編譯器什麽都不做，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，

  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，

這樣一來 ，

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，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。測試代碼見 ：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。無論暫停還是不暫停
，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 
。並且調用鏈越深性能提升還會越大
！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，例如部分 GUI、異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ，Runtime Async 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，

最終 ，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。每個部分在 await 處暫停 ，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，從而簡化了異步編程的複雜性。很多異步方法可能根本不會暫停，下麵會解釋。當前需要從哪個暫停點恢複
、這與傳統 async 的執行模型有本質區別。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>。等待一個已經完成的 ValueTask

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 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。這時候當前 Fib自己也必須暫停。

這麽一來，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

這個測試包含了各種不同的場景 ：

• Synchronous baseline ：同步基準測試，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 。因此至少需要保存寄存器狀態、隨後再根據需要動態擴張，此時 eax中就是有效的返回值，因此在涉及係統調用時 ，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，而是把異步控製流保留到運行時，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。await 不是一個普通的識別符 ，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。狀態機會繼續執行剩餘的代碼
  。同樣采用了 async/await 模型，

  例如
  ，

  (责任编辑：娛樂)