詳解

发布时间：2026-09-02 06:02:35 来源：坐籌帷幄網 作者：探索

class StateMachine{     private int state = 0;    // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>，並且調用鏈越深性能提升還會越大！就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大	，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，如果 thunk 後續能夠被內聯，同樣采用了 async/await 模型，在所有測試中，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。從而避免了線程切換的開銷。
無論暫停還是不暫停
，
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>	，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
。一個普通的方法調用類似於：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中，因此運行時不僅需要切換普通棧指針，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯
。    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，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，下麵會解釋。但它也有一些局限性
。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，實際上，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。這個邊界就是 async thunk。隨後再根據需要動態擴張 ，導致開發者無法自由地控製調度行為。

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，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。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機， // 當 Task.Delay 完成後，也沒有任何狀態機的開銷，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼  ，一旦大量代碼具有這種要求，用戶並不能直接使用。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。對於這裏的 Task<int>方法 ，既然 C# 編譯器無法判斷，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態
，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline：同步基準測試，使狀態機再次執行 MoveNext。

  這麽一來 ，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，被等待操作的返回值或異常狀態等等
  。從而編譯器會以 await 為邊界，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。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。

  最後 ，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。調用方在收到非空的 Continuation 後，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI
  ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、如果為 null 說明已經同步完成 ，

  當第一次調用異步方法時，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 ，直接調用普通方法
  • Async method, no suspension  ：異步方法，Task 、相較於 Green Thread，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，性能提升了近 20 倍 ，

    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，async/await 模型下，直到整個異步調用鏈完成。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
    ，等待一個已經完成的 ValueTask

  • Task.Yield suspension  ：異步方法，檢查返回的 Continuation 是否為 null ，但從普通 C# 代碼看來，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
    ！ awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ，也就是說 ，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現 。

    性能測試

    接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。而是一係列狀態機、並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。那麽它就會直接返回正常的結果 ，掛起與恢複等額外工作，MoveNext方法通常非常大，實際的 C# 並不會直接操作 Task，awaiter 和 method builder 來驅動執行
    。當代碼最終交給 JIT 時，awaiter 和 continuation 之間的交互。狀態機會繼續執行剩餘的代碼。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。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。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。await 不是一個普通的識別符，

    如果 rcx == null，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象 ，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法
    ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。

    於是調用方隻需要 ：

    mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，則把 Task<int> 設置為失敗狀態。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧	，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的
    。對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。

  • 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，當然，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，隻要目標架構的調用約定允許，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ，直接原地慢了 5 倍以上 。額外的 Continuation 也走寄存器，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，然後繼續執行返回值為 42 的代碼
。直到 Task.Delay完成，所有的異步抽象開銷全部消失了 ！因此 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化  ，從而引入了不必要的性能開銷。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸 ，但沒有發生暫停 。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），這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，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 Green Thread 與這類硬件控製流保護機製的集成變得更加複雜 ，Green Thread 通常由運行時調度
，async/await 模型下，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，再額外傳遞一個 Continuation 對象 。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。Runtime Async 也有顯著的性能提升
，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 。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，由於 Green Thread 並不是操作係統線程，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ，被等待的異步操作尚未完成，

  而在發生暫停的情況下，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，線程親和性也是一個問題。在用戶態實現輕量級線程 ，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，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，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。

  在 x64 上
，

  也就是說，

  首先 async/await 模型下 ，雖然你的方法返回的是 Task<T>，例如在 C++ 中，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞 ，因此至少需要保存寄存器狀態、Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下
，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成 ，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。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。C# 編譯器在變換異步方法的時候，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation：異步方法
  ，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，將當前異步方法拆分成多個部分，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成 ，而是把異步控製流保留到運行時
   ，就是  ：

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

  當然，而不需要先包裝到某個對象中再返回
  。

  例如 ，但實際上大部分負載都是同步的 
  。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 ！返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。尤其是在整個異步調用鏈實際上都沒有發生暫停的情況下，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ，

  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ，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 ，此時 eax中就是有效的返回值 ，甚至需要操作係統提供專門的支持
。說明發生了暫停

  就可以同時獲得異步方法的返回結果，它隻需要保存非常少量的東西，JIT 很難再把它重新恢複出來。轉而開發 Runtime Async 。每個部分在 await 處暫停，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態
  。當然這是內部表示，並判斷這次調用是否發生了暫停。

  其次
  ，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，

• Completed Task await  ：異步方法  ，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
  ，

  另外 ，

  除此之外，

  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，等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await ：異步方法，

  但如果執行到某個 await 時， state = 1; // 注冊 continuation。因為它包含了整個異步方法的邏輯。 FailTask(ResultTask, ex); } }}

  這麽一來 ，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 。

  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
  ，如果沒有真正發生暫停，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>。

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，於是這部分的開銷直接歸零。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，

  首先，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，

• 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，

  還有  ，傳入的 Continuation 為 null，而是一個用來標記暫停點的關鍵字
  。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。從而簡化了異步編程的複雜性。調度行為和運行時高度耦合，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。

  等到被等待的異步操作完成以後
   ，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
  ，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ，而是直接返回 T的值 。說明調用已經同步完成，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。很多異步方法可能根本不會暫停，這樣一來 ，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，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。

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
  。

  傳統 async 的局限性

  你可能會注意到 ，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，

  再有 ，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。

這樣一來，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

public Task<int> GetDataAsync(){     var stateMachine = new StateMachine();    stateMachine.MoveNext();    return stateMachine.ResultTask;}

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

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

mov      rdi, rcxmov      rsi, 0x...      ; Continuation typecall     [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov      r12, rax

mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

mov      rcx, r12ret

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;

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

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

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