這麽一來，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

測試結果原始數據如下：

結果簡直令人震驚！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，

首先 async/await 模型下，

也就是說，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，當代碼最終交給 JIT 時，這時候當前 Fib自己也必須暫停
。

另外，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 。但在整個異步調用鏈中 ，當前需要從哪個暫停點恢複
、使狀態機再次執行 MoveNext。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，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>	，一個普通的方法調用類似於：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中	，調度行為和運行時高度耦合，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，
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，但它也有一些局限性。當異步操作完成時，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，尤其是在沒有發生暫停的情況下，從而避免了線程切換的開銷。
但如果執行到某個 await 時
，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
。但從普通 C# 代碼看來，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。當異步調用沒有真正發生暫停時
，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。線程親和性也是一個問題。雖然你的方法返回的是 Task<T>，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>
，
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，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。轉而開發 Runtime Async
。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
。async/await 模型下
，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。然後繼續執行返回值為 42 的代碼。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，從而編譯器會以 await 為邊界，                    CompleteTask(ResultTask, 42);                    return;                }            }        }        catch (Exception ex)        {             // 如果在 MoveNext 中拋出了異常	，
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，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，如果失敗則會在這裏拋出異常
。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，而且這樣一來，
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機	，那麽它就會直接返回正常的結果，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。
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的
。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0

，MoveNext方法通常非常大
，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行
。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，                        // 當 Task.Delay 完成後，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，
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	，此時 eax中就是有效的返回值	，
最終，檢查返回的 Continuation 是否為 null，當然這是內部表示	，    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，

而在發生暫停的情況下，而是一係列狀態機、

首先 
，那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ，掛起與恢複等額外工作
，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，隨後再根據需要動態擴張，

還有，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，如果為 null 說明已經同步完成，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，因此
， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。而是直接返回 T的值。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。裏麵存儲了保存的異步狀態 。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，等待一個已經完成的 ValueTask

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  。 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。

那你說 ，由 JIT 直接處理和優化
。

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，隻要目標架構的調用約定允許 ，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ，例如在 C++ 中
，傳入的 Continuation 為 null ，於是這部分的開銷直接歸零。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。返回值走寄存器，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，被等待操作的返回值或異常狀態等等 。 // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。就知道整個異步調用鏈已經暫停了，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。

運行後，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機，這樣的調用鏈實際上是同步的 。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，

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，並通過 MoveNext、也沒有任何狀態機的開銷
，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。

另外，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。因此如果代碼真正暫停了，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ，調用方在收到非空的 Continuation 後，

除此之外，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈 ，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

其實也不行 。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，

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，

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	，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、
如果 rcx == null，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到
。    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	，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記
，Task、JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中	，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，如果 thunk 後續能夠被內聯，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
，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，直接返回結果	。
這麽一來
，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，C# 編譯器什麽都不做，
最後，
例如，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼
，
Completed Task await
	：異步方法	

，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
，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
	，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態	。async/await 模型下，每個部分在 await 處暫停，
不過相信你會發現，用戶並不能直接使用。直到 Task.Delay完成	，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。它隻需要保存非常少量的東西，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this
，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，並沒有需要恢複的狀態，
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，會觸發此前注冊的 continuation，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。                    awaiter.GetResult();                    // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42	
。
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

，無論暫停還是不暫停	
，一旦大量代碼具有這種要求
，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，    add      ebx, r12d    mov      eax, ebx                     ; return value    xor      ecx, ecx                     ; null Continuation    retSUSPEND_FIRST:    ; Fib(n - 1) 暫停了
，保存這這些東西隻需要幾十個字節，因此運行時不僅需要切換普通棧指針，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。async 關鍵字其實並不是必須的，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，由於 Green Thread 並不是操作係統線程
，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	，甚至比直接使用係統線程還要慢。在用戶態實現輕量級線程，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
，實際上

，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象
，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
。
再有
，awaiter 和 method builder 來驅動執行。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
！測試代碼見
：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 
。因為它包含了整個異步方法的邏輯
。類似的原因，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，將當前異步方法拆分成多個部分
，
在 x64 上，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去	。從而進一步提高性能	。同樣采用了 async/await 模型，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分
，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象
，額外的 Continuation 也走寄存器，也就是說
，
傳統 async 的局限性
你可能會注意到，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，並且調用鏈越深性能提升還會越大
！	
	

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