傳統 async 的局限性

你可能會注意到
，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、無論暫停還是不暫停 ，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可 。也無法做任何優化，將當前異步方法拆分成多個部分 
，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏
，

這樣一來，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。Task.Delay(1000)是一個異步操作，導致開發者無法自由地控製調度行為。

如果 rcx == null，

這麽一來 ，並判斷這次調用是否發生了暫停 。使狀態機再次執行 MoveNext。從而避免了線程切換的開銷 。

還有 ，awaiter 和 continuation 之間的交互 。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，而是把異步控製流保留到運行時，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，相較於 Green Thread，

等到被等待的異步操作完成以後
，它隻需要保存非常少量的東西，當前需要從哪個暫停點恢複、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，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。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ，雖然你的方法返回的是 Task<T>
，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(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>，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大	，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
，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。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
，用戶並不能直接使用	
。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，雖然很長但姑且先貼在這裏，此時 eax中就是有效的返回值

，線程親和性也是一個問題。
更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統
，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧
，那麽它就會直接返回正常的結果
，await 不是一個普通的識別符，就是

：
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然，
其次
，例如部分 GUI、還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外	，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了
。轉而開發 Runtime Async。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流	，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。調用方在收到非空的 Continuation 後，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	。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，因此至少需要保存寄存器狀態
、這樣一來，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。Runtime Async 都能以最小的開銷執行	。
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，甚至比直接使用係統線程還要慢
。這時候當前 Fib自己也必須暫停	。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
。因此

，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

，                        state = 1;                        // 注冊 continuation。並沒有需要恢複的狀態，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
	，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。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
，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，類似的原因，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
。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。從而減少內存分配。
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，
Completed Task await	
：異步方法，直接原地慢了 5 倍以上	
。而不需要先包裝到某個對象中再返回
。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，
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
，
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型
，
於是調用方隻需要	：
mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，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，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法
，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
	
，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界	。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
Async state-machine chain：異步狀態機調用鏈	，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、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	！那解決這個問題的辦法非常簡單，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行	。                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成，Green Thread 通常由運行時調度，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。
而在發生暫停的情況下，
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的
	
。並通過 MoveNext、Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。
另外
，
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大
，從而編譯器會以 await 為邊界，一個普通的方法調用類似於：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中，當然	，輪到 JIT 編譯器這個方法的時候總該能判斷了吧	？
其實也不行。性能提升了近 20 倍

，C# 編譯器什麽都不做
，也沒有任何狀態機的開銷

。                        // 當 Task.Delay 完成後，說明被調用的 Fib沒有同步完成。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到
。就知道整個異步調用鏈已經暫停了，所有的異步抽象開銷全部消失了！同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
，
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention
。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，保存這這些東西隻需要幾十個字節	，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來	
。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
，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>
。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，同樣采用了 async/await 模型
，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。
最終
，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換

。但它也有一些局限性。這樣的調用鏈實際上是同步的。
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，C# 之所以要求 async 關鍵字，實際的 C# 並不會直接操作 Task
，            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}
這麽一來，一旦大量代碼具有這種要求，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，也就是說，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。
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
	，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果 ，由 JIT 直接處理和優化。因為它包含了整個異步方法的邏輯。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，Runtime Async 也有顯著的性能提升，額外的 Continuation 也走寄存器，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難 。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，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
，檢查返回的 Continuation 是否為 null，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，

那你說 ，尤其是在沒有發生暫停的情況下 ，則把 Task<int> 設置為失敗狀態
。但從普通 C# 代碼看來 ，

首先 async/await 模型下，會觸發此前注冊的 continuation， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，

除此之外，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。

例子

接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。隻要目標架構的調用約定允許，

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

await Fib(n - 1)

lea      edx, [rbx-0x01]    ; n - 1mov      rdi, r14           ; thisxor      rsi, rsi           ; Continuation = nullcall     [Program:Fib(int):int:this]

eax = Fib 的 int 返回值rcx = Continuation

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

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

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

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