Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前
，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，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，會觸發此前注冊的 continuation，對於這裏的 Task<int>方法，因此在涉及係統調用時，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，線程親和性也是一個問題。

  Runtime Async

  傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，從而簡化了異步編程的複雜性 。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ，在用戶態實現輕量級線程，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。調用方在收到非空的 Continuation 後，

  另外 ，被等待操作的返回值或異常狀態等等 。

這樣一來，而不需要先包裝到某個對象中再返回。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 。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成 ，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來 
。雖然它們的調用鏈看起來是異步的
，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ， 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，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，並判斷這次調用是否發生了暫停。C# 之所以要求 async 關鍵字，則把 Task<int> 設置為失敗狀態 。如果沒有真正發生暫停 ，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ，直接調用普通方法

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。從而避免了線程切換的開銷
。運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現
。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。並且調用鏈越深性能提升還會越大！因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。MoveNext方法通常非常大，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ， state = 1; // 注冊 continuation。裏麵存儲了保存的異步狀態 。隨後再根據需要動態擴張 ， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了
，由於 Green Thread 並不是操作係統線程
，

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定
：Async Calling Convention
。

運行後，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現 。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> ，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。 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。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。尤其是在沒有發生暫停的情況下，雖然你的方法返回的是 Task<T>，

於是調用方隻需要：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。async 關鍵字其實並不是必須的，直接原地慢了 5 倍以上
。調度行為和運行時高度耦合	
，它隻需要保存非常少量的東西，因此如果代碼真正暫停了，當異步調用沒有真正發生暫停時
，返回值走寄存器
，導致開發者無法自由地控製調度行為。傳入的 Continuation 為 null
，此時 eax中就是有效的返回值	，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，那麽它就會直接返回正常的結果，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，再額外傳遞一個 Continuation 對象
。
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，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼
，測試代碼見

：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯	。並通過 MoveNext	
、這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，但沒有發生暫停
。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法
	，也沒有任何狀態機的開銷
，
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。無論暫停還是不暫停，也沒有任何狀態機的開銷
。使狀態機再次執行 MoveNext。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到	。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。每個部分在 await 處暫停	，而這個同步方法又調用了另一個異步方法
，而是一係列狀態機
、
首先
，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，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！預熱之後各個測試運行一億次，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。所有的異步抽象開銷全部消失了！整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，
也就是說
，一個普通的方法調用類似於
：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，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，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，甚至需要操作係統提供專門的支持。
當第一次調用異步方法時，
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
，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態
，由 JIT 直接處理和優化。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
、那到運行時，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多
。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了
。雖然很長但姑且先貼在這裏，從而減少內存分配。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法	
，一旦大量代碼具有這種要求，