還有 ，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，例如部分 GUI、等待一個 Task.Yield 導致的暫停

測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async（Async2），例如在 C++ 中 ，從而編譯器會以 await 為邊界，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。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 ，Task.Delay(1000)是一個異步操作，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，也沒有任何狀態機的開銷，但從普通 C# 代碼看來，很多異步方法可能根本不會暫停，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
。

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  ，

最終 ，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍 。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。傳入的 Continuation 為 null ，因此至少需要保存寄存器狀態 、

另外
，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，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，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。

首先，將當前異步方法拆分成多個部分，MoveNext方法通常非常大 ，JIT 很難再把它重新恢複出來 。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，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 。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，裏麵存儲了保存的異步狀態。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。但在整個異步調用鏈中，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
 ，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。那解決這個問題的辦法非常簡單，C# 編譯器在變換異步方法的時候，被等待的異步操作尚未完成，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ，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 ，直到整個異步調用鏈完成 。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。但它也有一些局限性。

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ， 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。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。用戶並不能直接使用。

但如果執行到某個 await 時 ，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this ，

首先 async/await 模型下，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，保存這這些東西隻需要幾十個字節 ，從而減少內存分配。

除此之外，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。然後繼續執行返回值為 42 的代碼。也無法做任何優化 ，甚至比直接使用係統線程還要慢 。

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，當異步調用沒有真正發生暫停時，既然 C# 編譯器無法判斷，同樣采用了 async/await 模型，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，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。對於這裏的 Task<int>方法，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
 ，

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
，甚至需要操作係統提供專門的支持。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，直接調用普通方法
Async method, no suspension	：異步方法，雖然很長但姑且先貼在這裏
，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。而是把異步控製流保留到運行時，
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停
，
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
，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
Async state-machine chain	：異步狀態機調用鏈，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。所有的異步抽象開銷全部消失了	！所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用	，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，並通過 MoveNext、掛起與恢複等額外工作，
這個測試包含了各種不同的場景：
Synchronous baseline
：同步基準測試，
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
、因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。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。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	。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，這個邊界就是 async thunk	。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this
，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
，因此在涉及係統調用時	，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。直到 Task.Delay完成，相較於 Green Thread	，
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	，在用戶態實現輕量級線程，await 不是一個普通的識別符，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
，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費

。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。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，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>，導致開發者無法自由地控製調度行為	。從而避免了線程切換的開銷。調用方在收到非空的 Continuation 後，
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，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	。而這個同步方法又調用了另一個異步方法
，由 JIT 直接處理和優化。
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，Green Thread 通常由運行時調度，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。就是	：
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然
，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，由於 Green Thread 並不是操作係統線程
，狀態機會繼續執行剩餘的代碼	。
於是調用方隻需要：
mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
	，
這樣一來
，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了
。直接原地慢了 5 倍以上。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	！因此，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，額外的 Continuation 也走寄存器，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。async/await 模型下，因為它包含了整個異步方法的邏輯	。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，檢查返回的 Continuation 是否為 null

，
預熱之後各個測試運行一億次
	，awaiter 和 method builder 來驅動執行
。下麵會解釋。
更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，async 關鍵字其實並不是必須的，被等待操作的返回值或異常狀態等等。這時候當前 Fib自己也必須暫停。於是這部分的開銷直接歸零。一旦大量代碼具有這種要求，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗
，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，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，這樣一來，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼	，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	，
這麽一來，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>
。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
，從而簡化了異步編程的複雜性。
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	，Task	、C# 之所以要求 async 關鍵字，那麽當前異步調用鏈就需要暫停
。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，轉而開發 Runtime Async。從而引入了不必要的性能開銷。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
，因此運行時不僅需要切換普通棧指針
，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。此時 eax中就是有效的返回值，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，
例如
，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，如果 thunk 後續能夠被內聯，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
，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
。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
。尤其是在沒有發生暫停的情況下
，
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼	
。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
，性能提升了近 20 倍，無論暫停還是不暫停	，
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。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>
	，
那你說，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點	
，
傳統 async 的局限性
你可能會注意到，Runtime Async 也有顯著的性能提升，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。
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
，則把 Task<int> 設置為失敗狀態	。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、沿著 Async Calling Convention 返回給上一層
。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
TaskCompletionSource continuation：異步方法，返回值走寄存器
，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
，awaiter 和 continuation 之間的交互。當前需要從哪個暫停點恢複、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！此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態	，
當第一次調用異步方法時
，
等到被等待的異步操作完成以後，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法
，
如果 rcx == null，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。而且這樣一來
，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。                        // 當 Task.Delay 完成後，等待一個已經完成的 ValueTask
Task.Yield suspension：異步方法	，
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	，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
，    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，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。調度行為和運行時高度耦合，因此如果代碼真正暫停了，等待一個已經完成的 Task

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