Task/ValueTask 與非同步排程器原始碼導讀

現代 .NET 的非同步模型（async/await + Task Parallel Library, TPL）是 I/O 服務、雲端 API、IoT 邊緣裝置與高效能服務的核心。理解 Task / ValueTask 與排程器（TaskScheduler / ThreadPool）內部實作，有助：

• 寫出低延遲、低配置（allocation）的非同步程式碼
• 避免常見阻塞 / 死鎖 / ThreadPool starvation
• 評估何時值得從 Task 優化為 ValueTask
• 正確診斷「為何卡住 / 為何延續不在預期執行緒」

本文提供心智模型 → 原始碼對照 → 實驗 → 效能與陷阱。建議先通讀，再帶著具體問題進入 runtime 原始碼。

核心構件：Task（結果容器 + 延續列表）、TaskScheduler（排程策略）、ThreadPool（執行工作者）、ExecutionContext（流程上下文）、SynchronizationContext（邏輯同步環境）、ValueTask（高命中同步結果的分配優化封裝）、IValueTaskSource（進階可重用狀態源）。

async/await 編譯後做了什麼

語法糖展開（以 async Task<int> Foo() 為例）：

1. 產生隱藏狀態機型別：實作 IAsyncStateMachine，包含欄位：int <>1__state、AsyncTaskMethodBuilder<int> <>t__builder、暫存區（locals / awaiter）
2. 原始方法本體成為一個「建立並啟動狀態機」的外殼；真正流程在 MoveNext()。
3. 每個 await expr：
   • 取 expr.GetAwaiter() → 檢查 IsCompleted
   • 未完成：儲存 state、註冊 continuation：awaiter.OnCompleted(stateMachineBoxed.MoveNext)；方法先 return（尚未完成的 Task）
   • 完成：直接 awaiter.GetResult() 繼續下一段
4. 結尾呼叫 builder.SetResult(value) 或例外路徑 builder.SetException(ex)。

對照原始碼（System.Runtime.CompilerServices）：

• AsyncTaskMethodBuilder / AsyncTaskMethodBuilder<T>
• AsyncValueTaskMethodBuilder / <T>
• TaskAwaiter / ConfiguredTaskAwaitable

關鍵方法 AsyncTaskMethodBuilder.AwaitUnsafeOnCompleted → 包裝 continuation + 註冊。