并发

Swift 为写异步和并行代码提供了内置的结构化方式。异步代码代码可以挂起并稍后继续,尽管同一时间只能有一个程序执行。在你的程序中挂起和继续代码能让它在短时间操作如更新 UI 界面的同时执行长时间任务,比如通过网络获取数据或者处理文件。并行代码意味着多个代码同时执行——比如说,一个拥有四核处理器的电脑能够同时运行四段代码,每个核心处理一个任务;它会挂起等待外部系统的任务,并且让这类代码更容易以内存安全的方式实现。

并行或者异步代码带来计划弹性,但也伴随着以复杂度的提升作为代价。Swift 允许你以一种编译时检测的方式表达你的意图——比如说,你可以使用行为体来安全的访问可变状态。总之,给缓慢或者充满 Bug 的代码添加并发并不能保证它就一定能变快或者结果正确。事实上,添加并发还会让代码更难排错。总之,在需要并发的代码中使用 Swift 的语言级并发支持意味着 Swift 能帮助你在编译时捕捉问题。

下文将使用并发来指代通常意义上的异步和并行的组合。

注意

如果你之前写过并发代码,你可能习惯了使用线程。Swift 的并发模型是构建在线程之上的,但你不会直接与它们互动。在 Swift 中异步函数能让出线程,允许另一个异步函数在第一个函数阻塞时在这个线程执行。

尽管不用 Swift 语言支持也能写并发代码,那代码就有点难读。比如说,下面的代码下载照片名称列表,然后下载列表中第一个照片,然后把照片展示给用户:

就算是这么一个简单的情况,由于代码需要写成一系列的回调,你最终写成内嵌闭包,一堆复杂的内嵌代码使程序变得臃肿。

定义和调用异步函数

异步函数异步方法是一种特殊的能在执行一部分时被挂起函数或者方法。这与传统不同,同步函数和方法要么执行到结束,要么抛出错误,或者不返回内容。异步函数或者方法还是会做这些行为之一,但它还可以在等待别的东西的时候暂停执行。在异步函数或方法内部,你可以标记哪里可以挂起。

要标记对应函数或者方法是异步的,你在声明中形式参数的后面使用 async  关键字, 和你使用 throw  关键字一样。如果函数或者方法返回值,就把 async  写在返回箭头( -> )之前。比如说,这里是你可能写的在相册中获取照片名称方法:

对于那些又抛出错误又异步的函数或者方法,你把 async  写在 throws  前面。

当调用异步方法时,执行会挂起直到那个方法返回。你在调用前使用 await 来标记可能会挂起的位置。就像是在调用会抛出错误的函数时写 try 一样,用来标记如果有错误就会在这里改变程序执行流程。在异步方法内部,执行的流程会在你调用另一个异步方法时挂起——挂起不会隐含或者抢先——也就是说所有可能的挂起位置都会用 await 标记。

比如说,下面的代码获取相册中所有照片的名字然后显示第一个图片:

由于 listPhotos(inGallery:) 和 downloadPhoto(named:) 都需要网络请求,它们可能会需要相对长的时间才能完成。通过在返回箭头前写 async 让它们都异步执行,让 App 剩下的代码在等待照片完成前保持运行。

来理解上面代码中并发的本质,这里是执行顺序的一种可能:

  1. 代码开始从第一行运行,直到第一个 await。它调用 listPhotos(inGallery:) 函数并且在等待函数返回时挂起执行;
  2. 当这个代码执行被挂起,同一程序的其他并发代码继续运行。比如说,可能有个后台任务持续更新相册中的新照片。那个代码同样自行直到下一个挂起点,用 await 标记,或者直到它完成;
  3. listPhotos(inGallery:) 返回后,这段代码继续从这个位置执行。它会把返回的值赋给 photoNames ;
  4. 定义 sortedNames 和 name 的代码就是普通同步代码。因为没有标记为 await ,也没有其他可能的挂起点;
  5. 下一个 await 标记在 downloadPhoto(named:) 函数调用处。这段代码再次暂停执行,直到函数返回,给其他并发代码执行的机会;
  6. downloadPhoto(named:) 返回后,它返回的值赋给了 photo 然后作为实际参数传给 show(_:)

你的代码中使用 await 标记的可能挂起点表明了当前这段代码可能会在等待异步函数或方法返回时暂停执行。这也被称作线程让步,因为 Swift 暂停了当前线程中正在执行的代码,然后在这个线程中执行其他代码。由于带有 await 的代码需要能够挂起执行,只有在你程序中一些特定的地方能够调用异步函数或方法:

  • 异步函数、方法或属性的代码段中的代码;
  • 在标记了 @main 的结构体、类或者枚举的静态 main() 方法中的代码;
  • 如同下文非结构化并发所述,在分离的子任务中的代码。

注意

Task.sleep(_:) 在学习并发如何工作时很好用。这个方法什么都不做,只是在返回前等待照少给定数量的微秒。这里有一个使用 sleep() 来模拟等待网络任务的 listPhotos(inGallery:) 版本:

异步序列

listPhotos(inGallery:) 函数在前面章节中等数组的所有元组都准备好后一次性异步返回了整个数组,另一个实现是使用异步序列每次等待集合中的一个元素。这里是一个遍历异步序列的例子:

对于传统 for-in 循环来说,上面的例子在它后面写 await 。就像你调用异步函数或者方法一样,用 await 表示一个可能的挂起点。当等待下一个元素可用时, for-await-in 循环会潜在的在每一次遍历前挂起。

与你可以在 for-in 循环中使用你自己的类型,只要添加 Sequence 协议遵循即可一样,在 for-await-in 循环中使用你自己的类型,只要添加 AsyncSequence 协议遵循即可。

并行调用异步方法

使用 await 调用异步方法一次只能运行一段代码。当异步代码运行时,调用者在移动到下一行代码前等待代码执行完成。比如说,从相册获取前三张照片,你可能会等待三个 downloadPhoto(named:) 调用,如下边这样:

这个实现有个重要的缺点:尽管下载是异步的,能在处理过程中允许其他任务进行,但一次只有一个 downloadPhoto(named:) 运行。每个照片必须在前一个完全下载完才能开始下载。总之,这些操作是不需要等待的——每一个照片都能独立下载,甚至是同时下载。

要调用异步方法并允许它并行执行,在你用 let 定义常量前写 async ,然后每次你使用常量时写 await 。

这个例子中,三个 downloadPhoto(named:) 调用不需要等待前一个完成就能启动。如果系统资源足够的话,他们可同时运行。这些函数调用都没有用 await 标记,是因为它们不需要挂起来等待函数结果。相反,执行会一直持续到 photos 定义的地方——在那里,程序需要这些异步调用的结果,所以你写 await 来暂停执行知道所有三个照片都下载完成。

这里是对这两种不同实现的理解:

  • 当代码中下一行依赖函数结果时,使用 await 调用异步函数。这会使工作顺序执行;
  • 当你不需要结果直到后续代码才用时,使用 async-let 调用异步函数。这会使工作并行执行;
  • 在以上两种情况中,你使用 await 来标记可能的挂起点,表示如果需要的话执行会暂停,直到异步函数返回。

你可以在同一个代码中混用这两种实现方法。

任务和任务组

任务是可以作为你程序一部分异步运行的工作单位。所有异步代码都会作为某任务的一部分运行。上文中描述的 async-let 语法会为你创建一个子任务。你还可以创建任务组并给这个组添加任务,这会给你更多控制优先级以及撤销操作能力,并且允许你创建动态数量的任务。

任务使用继承管理。每一个任务组中的任务都有相同的父任务,每一个任务都可以有子任务。由于任务和任务组之间的明确关系,这个实现叫做结构化并发。尽管你会为正确性负某些责任,任务间明确的父子关系使得 Swift 能够为你处理一些例如传递和撤销之类的操作,并且允许 Swift 在编译时就能检测某些错误。


更多信息关于任务组,见 TaskGroup

非结构化并发

除了上文描述的结构化实现并发外,Swift 也提供了访问结构化并发。与任务是任务组一部分不同,非结构化任务没有父任务。你拥有完整灵活性去管理非结构化任务,随便你程序需要,但你同样要全部负责正确性。要创建一个在当前行为体下运行的非结构化任务,调用 async(priority:operation:) 函数。要创建一个非当前行为体的非结构化任务,更准确的说法是分离任务,调用 asyncDetached(priority:operation:) 。这两个方法都返回任务引用允许你与任务交互——比如说,等待执行结果或者是撤销它。


更多关于分离任务的信息,见 Task.Handle

任务撤销

Swift 并发使用合作关系撤销模型。每一个任务都会在合适的地方检查它是否已经被撤销,然后以合适的方式响应撤销。基于你正在执行的工作,通常这意味着如下结果:

  • 抛出类似 CancellationError 的错误;
  • 返回 nil 或者空集合;
  • 返回部分完成的工作。

要手动传递撤销,调用 Task.Handle.cancel() ,它会在任务被撤销时抛出 CancellationError 错误,要么检查 Task.isCancelled 值并且在你自己代码中处理撤销。比如说,从相册中下载照片的任务就可能需要删除部分下载且关闭网络连接。

要检查撤销,要么调用 Task.checkCancellation()

行为体

和类相似,行为体是引用类型,所以类是引用类型中描述的那样值类型和引用类型的不同也应用于行为体,与类相同。与类不同的是,行为体一次只允许一个任务访问他们的可变状态,这就使得同一个行为体在多任务代码中也可安全访问。比如,这里有一个记录气温的行为体:

使用 actor 关键字引入行为体,跟着是它写在一对花括号中的定义。 TemperatureLogger 行为体拥有其他行为体外代码可以访问的属性,并且限制了 max 属性只能是行为体内代码才能更新最大值。

使用结构体和类相同的初始化语法来初始化行为体。当你访问行为体的属性或方法时,使用 await  来标记潜在的暂停点,比如:

在这个例子中,访问 logger.max 是一个可能的挂起点。由于行为体同时只允许一个任务访问可变状态,如果代码中其他任务正在与 logger 交互,这个代码就会在访问属性时挂起。

相反,行为体中的代码在访问行为体的属性时不写 await 。比如说,这里有一个方法 TemperatureLogger 更新温度:


update(with:) 已经是在行为体中运行的了,所以它在访问比如 max 时不需要 await 关键字。这个方法还表现了行为体同一时间只允许一个任务与其可变状态交互的原因之一:某些对行为体的更新会暂时破坏不变性。 TemperatureLogger 行为体会保存温度的列表以及最高温度,然后在你记录新记录时更新最高温度。在更新的过程中,在追加新数据但更新 max 之前,logger 处在一个暂时不一致状态。阻止多个任务同时交互一个实例会避免下面这种情况:

  1. 你的代码调用 update(with:) 方法,它首先更新 measurements ;
  2. 在你代码能更新 max 之前,某些地方读了最大值以及温度列表;
  3. 你的代码更新 max ,完成执行。

在这个情况中,某处代码就会督导不正确的信息,因为它对行为体的访问是与 update(with:) 调用交错进行的,此时数据是暂时无效的。你可以在使用 Swift 行为体时避免这个问题,因为它们同一时间只允许一个任务进行,并且由于代码只会在用 await  标记的位置挂起。由于 update(with:) 不包含挂起点,其他任何代码都不能在更新的过程中访问数据。

如果你在行为体外访问这些属性,比如你像访问类实例那样,你就会得到编译时错误;例如:

不写 await 访问 logger.max 会失败是因为行为体的属性是这个行为体隔离本地状态的一部分。Swift 保证行为体内的代码才能访问行为体的本地状态。这个保证就是所谓的行为体隔离