Swift并发介绍

Apple 上一次对异步框架大做文章是在 2009 年 Grand Central Dispatch (GCD) 与 Mac OS X Snow Leopard 一起问世时。
Swift 在 2014 年推出借助GCD的支持,从第一天起就支持并发和异步,但这种支持并不是原生的——它是围绕 Objective-C 的需求和能力设计的。 Swift 只是“借用”了这种并发性。

Swift 5.5 改变了这一切,它引入了一种新的本地模型来编写异步、并发代码。

新的并发模型提供了你需要在 Swift 中编写安全和高效程序的一切,包括:

  • 用结构化的方式运行异步操作的新本地语法。
  • 用于设计异步和并发代码的标准 API 套件。
  • 在libdispatch框架中的低级改变,使得所有高级改变直接集成到操作系统中。
  • 编译器支持创建安全、并发代码的新级别。

Swift 5.5 引入了新的语言语法和 API 来支持这些特性。 在您的应用程序中,除了使用最新的 Swift 版本外,您还需要针对某些平台版本:

  • 如果您使用的是 Xcode 13.2 或更新版本,它会将新的并发运行时与您的应用程序捆绑在一起,以便您可以最低支持到 iOS 13 和 macOS 10.15。
  • 如果您使用的是 Xcode 13 且早于 13.2 的版本,您将只能针对 iOS 15 或 macOS 12以上的版本进行开发。

在 Swift 5.5 之前,你可以使用 GCD 通过分派队列来运行异步代码,这是一种对线程的抽象。你还使用了更旧的 API,比如 Operation,Thread 或者直接与基于 C 的 pthread 库交互。

这些 API 都使用相同的技术:POSIX 线程,这是一种不依赖于任何给定编程语言的标准化执行模型。 每个执行流都是一个线程,多个线程可能会重叠并同时运行。
像 Operation 和 Thread 这样的线程包装器需要您手动管理执行。 换句话说,您负责创建和销毁线程、决定并发作业的执行顺序以及跨线程同步共享数据。 这是一项容易出错且繁琐的工作。

GCD 基于队列的模型运行良好。 但是,它通常会导致问题,例如:

  • 线程爆炸Thread explosion:创建过多的并发线程需要不断在活动线程之间切换。 这最终会减慢您的应用程序。
  • 优先级反转Priority inversion:当任意的、低优先级的任务阻塞执行在同一队列中等待的高优先级任务。
  • 缺乏执行层次Lack of execution hierarchy:异步代码块缺乏执行层次,这意味着每个任务都是独立管理的。 这使得取消或访问正在运行的任务变得困难。 它还使任务将结果返回给其调用者变得复杂。

新的并发模型与语言语法、Swift 运行时和 Xcode 紧密集成。 它为开发人员抽象掉了线程的概念。 其主要新功能包括:

  1. 协作线程池。

    新模型透明地管理线程池,以确保它不超过可用的 CPU 内核数。 这样,运行时就不需要创建和销毁线程或不断地执行昂贵的线程切换。 取而代之的是,您的代码可以挂起,稍后在池中的任何可用线程上快速恢复。

  2. async/await语法。

    Swift 的新async/await语法让编译器和运行时知道一段代码可能会在未来暂停和恢复执行一次或多次。运行时会为您无缝处理,因此您不必担心线程和内核。
    作为一个很好的奖励,新的语言语法通常不需要弱或强捕获self或其他变量,因为你不需要使用逃逸闭包作为回调

  3. 结构化并发。

    每个异步任务现在都是层次结构(hierarchy)的一部分,具有父任务和给定的执行优先级。 此层次结构(hierarchy)允许运行时在取消父任务时取消所有子任务。 此外,它允许运行时在父级完成之前等待所有子级完成。
    这种层次结构(hierarchy)提供了巨大的优势和更明显的结果,其中高优先级任务将在层次结构中的任何低优先级任务之前运行。

  4. 上下文感知代码编译。

    编译器会跟踪一段给定的代码是否可以异步运行。 如果可以异步执行,它不会让你编写可能不安全的代码,比如改变共享状态。
    这种高水平的编译器意识支持精心设计的新功能,例如actor,它们在编译时区分对其状态的同步和异步访问,并通过使编写不安全代码变得更加困难来防止无意中破坏数据。

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