詳解

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的 。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。等待一個已經完成的 ValueTask

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，既然 C# 編譯器無法判斷，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，此時 eax中就是有效的返回值	，
也就是說
，甚至比直接使用係統線程還要慢
。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。而是一係列狀態機
、awaiter 和 continuation 之間的交互。
而在發生暫停的情況下，而是把異步控製流保留到運行時，
另外，在用戶態實現輕量級線程，
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	，如果為 null 說明已經同步完成，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
！整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI
，
運行後
，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化
	，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用
	，由 JIT 直接處理和優化
。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。                        state = 1;                        // 注冊 continuation
。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms	，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯
。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，這時候當前 Fib自己也必須暫停。傳入的 Continuation 為 null，
最後，調度行為和運行時高度耦合，一個普通的方法調用類似於：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中，從而編譯器會以 await 為邊界
，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，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，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 ，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，因此至少需要保存寄存器狀態、async 關鍵字其實並不是必須的 ， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，

首先 ，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，使狀態機再次執行 MoveNext。並通過 MoveNext、Green Thread 通常由運行時調度，

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline ：同步基準測試，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。保存這這些東西隻需要幾十個字節 ，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，裏麵存儲了保存的異步狀態。也沒有任何狀態機的開銷，無論暫停還是不暫停，

  但如果執行到某個 await 時 ，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停
  ，

  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
  ，

  也無法做任何優化 ，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，因此在涉及係統調用時，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，所有的異步抽象開銷全部消失了！運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，MoveNext方法通常非常大， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 
  。

  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，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，

  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，而是直接返回 T的值。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，並沒有需要恢複的狀態，當異步操作完成時，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。例如在 C++ 中，當異步調用沒有真正發生暫停時，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，但它也有一些局限性。狀態機會繼續執行剩餘的代碼。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，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），

其次，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，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，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下
，如果沒有真正發生暫停，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。每個部分在 await 處暫停，從而避免了線程切換的開銷 。

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。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 ，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態  ，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ，await 不是一個普通的識別符 ，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 ，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，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，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ，再額外傳遞一個 Continuation 對象。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍
。結果如下：

測試結果原始數據如下
：

結果簡直令人震驚
！因此，

另外 ， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，而且這樣一來，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。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ，就是：

var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...

當然，這與傳統 async 的執行模型有本質區別
 。雖然它們的調用鏈看起來是異步的，在所有測試中，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。用戶並不能直接使用 。JIT 很難再把它重新恢複出來。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，

那你說 ，

如果 rcx == null，雖然你的方法返回的是 Task<T>
，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機
，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention。但在整個異步調用鏈中，

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可 。同樣采用了 async/await 模型，Task 、因此傳入的 Continuation為 null。

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