Swift Concurrency 入门指南：快速上手并行开发

在现代软件开发中，充分利用多核处理器和异步操作来提高应用程序的性能和响应能力至关重要。Swift 语言通过引入结构化并发特性，使开发者能够更轻松、安全地编写并发代码。本文将深入探讨 Swift 并发的基础知识、关键概念以及实用技巧，帮助你快速掌握并行开发的精髓。

1. 并发 vs. 并行：厘清概念

在深入探讨 Swift 并发之前，我们需要先区分两个经常被混淆的概念：并发（Concurrency）和并行（Parallelism）。

• 并发：指程序在同一时间段内处理多个任务的能力。这些任务可能交替执行，也可能在某个时间点同时执行。并发的关键在于任务的“管理”，即如何调度和切换不同的任务，让它们看起来像是同时进行的。
• 并行：指程序在同一时刻真正地执行多个任务。这通常需要多核处理器的支持，每个核心同时处理一个任务。并行的关键在于任务的“执行”，即多个任务在物理上同时运行。

可以这样理解：并发是“逻辑上”的同时执行，而并行是“物理上”的同时执行。并发是更广义的概念，并行是并发的一种实现方式。

在 Swift 中，并发模型主要关注如何以安全、高效的方式管理多个任务，而并行则依赖于底层硬件和操作系统的支持。

2. Swift 并发的核心概念

Swift 并发模型建立在一系列关键概念之上，这些概念共同构成了结构化并发的基础。

2.1. async/await：异步函数的基石

async 和 await 是 Swift 并发模型中最核心的两个关键字。它们使得异步代码的编写和阅读方式与同步代码几乎一样，极大地提高了代码的可读性和可维护性。

• async：用于声明一个函数或方法是异步的。异步函数可以挂起（suspend）自身的执行，等待某个耗时操作完成，而不会阻塞当前线程。
• await：用于调用一个异步函数。当遇到 await 时，当前函数的执行会暂停，直到被调用的异步函数返回结果。在等待期间，线程可以去执行其他任务。

swift
func fetchThumbnail(for id: String) async throws -> UIImage {
let request = thumbnailURLRequest(for: id)
let (data, response) = try await URLSession.shared.data(for: request)
guard (response as? HTTPURLResponse)?.statusCode == 200 else {
throw MyError.invalidServerResponse
}
let maybeImage = UIImage(data: data)
guard let thumbnail = await maybeImage?.thumbnail else {
throw MyError.thumbnailGenerationFailed
}
return thumbnail
}
上述代码定义了一个异步的获取图片缩略图的操作, 使用了async来修饰函数, await来执行异步的网络请求.

2.2. Tasks：并发执行的任务

Task 是 Swift 并发模型中表示一个并发执行单元的基本单位。每个 Task 都有自己的优先级和取消状态，可以在其上下文中运行异步代码。

• 创建 Task：可以使用 Task 的初始化方法来创建一个新的任务。
• 任务取消：可以通过调用 Task 的 cancel() 方法来取消任务。在异步函数中，可以使用 Task.isCancelled 检查任务是否已被取消，或使用 try Task.checkCancellation() 在取消时抛出错误。
• 任务优先级: Task具有优先级，可以创建任务时指定，或者稍后修改，这会影响任务的执行顺序

```swift
let task = Task {
// 执行异步操作
let result = await someAsyncFunction()
print(result)
}

// 取消任务
task.cancel()
```

2.3. Task Groups：管理一组并发任务

TaskGroup 允许你创建一组相关的并发任务，并以结构化的方式管理它们的执行和结果。

• 创建 Task Group：使用 withTaskGroup(of:returning:body:) 函数创建一个 Task Group。
• 添加子任务：在 Task Group 的闭包中，使用 group.addTask 方法添加子任务。
• 收集结果：Task Group 会自动收集所有子任务的结果，你可以通过迭代 group 来获取每个子任务的结果。

```swift
func processImages(ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
try await withThrowingTaskGroup(of: (String, UIImage).self) { group in
for id in ids {
group.addTask {
return (id, try await fetchThumbnail(for: id))
}
}

    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for try await (id, thumbnail) in group {
        thumbnails[id] = thumbnail
    }

    return thumbnails
}

}
```
上述代码演示了使用TaskGroup并发地获取多个图片的缩略图，并汇总到一个字典中。

2.4. Actors：隔离状态，避免数据竞争

Actor 是一种特殊的类型，用于保护可变状态，防止数据竞争（Data Race）。Actor 通过隔离其内部状态，确保同一时间只有一个任务可以访问其属性和方法。

• 定义 Actor：使用 actor 关键字定义一个 Actor 类型。
• 访问 Actor 成员：通过 await 关键字访问 Actor 的属性和方法。
• MainActor：一个特殊的 Actor，用于在主线程上执行任务。可以使用 @MainActor 属性包装器将一个类型或函数标记为在主线程上运行。

```swift
actor ImageCache {
private var cache: [String: UIImage] = [:]

func image(for id: String) async -> UIImage? {
    if let cached = cache[id] {
        return cached
    }

    // 模拟网络请求
    let image = await fetchImage(for: id)
    cache[id] = image
    return image
}

//模拟函数
func fetchImage(for id:String) async -> UIImage?{
    return UIImage()
}

}
```

上述代码定义了一个 ImageCache Actor，用于管理图片的缓存。由于 image(for:) 方法是异步的，因此可以安全地在其中访问和修改 cache 属性，而不会导致数据竞争。

3. Swift 并发实战技巧

掌握了 Swift 并发的核心概念后，我们可以将这些知识应用到实际开发中，编写出高效、安全的并发代码。

3.1. 异步序列（AsyncSequence）

异步序列是一种可以异步生成一系列值的类型。它类似于普通序列（Sequence），但其 next() 方法是异步的。

• 创建异步序列：可以使用 AsyncStream 或 AsyncThrowingStream 来创建自定义的异步序列。
• 迭代异步序列：使用 for await 循环来迭代异步序列。

```swift
func counter() -> AsyncStream {
AsyncStream { continuation in
Task {
for i in 1...5 {
try? await Task.sleep(nanoseconds: 1_000_000_000) // 模拟耗时操作
continuation.yield(i)
}
continuation.finish()
}
}
}

for await count in counter() {
print(count)
}
```
上述代码定义了一个简单的计数器的异步序列，每秒产生一个数字。使用for await来遍历这个序列。

3.2. 结构化并发的最佳实践

• 优先使用 async/await：async/await 使异步代码更易于编写和理解，应优先使用。
• 使用 Task Group 管理并发任务：Task Group 提供了结构化的方式来管理一组相关的并发任务，避免了手动管理任务的复杂性。
• 使用 Actor 保护可变状态：Actor 可以有效地隔离状态，防止数据竞争，是构建线程安全代码的关键。
• 正确处理取消：在异步函数中检查任务取消状态，并在必要时提前退出或抛出错误。
• 避免过度并发：创建过多的任务可能会导致性能下降，应根据实际情况合理控制并发度。
• 使用 MainActor 更新 UI：在主线程上更新 UI，避免界面卡顿或崩溃。
• 测试并发代码: 并发代码很容易出错，应该编写单元测试和集成测试来验证代码的正确性

3.3 调试并发代码

调试并发代码可能会比调试同步代码更具挑战性，但 Swift 提供了一些工具和技术来帮助我们定位和解决问题。

• Instruments：Xcode 自带的 Instruments 工具集提供了强大的性能分析和调试功能，可以帮助我们分析并发代码的执行情况，找出性能瓶颈和潜在问题。例如，Time Profiler 可以显示任务的执行时间和调用栈，帮助我们识别耗时操作；Leaks Instrument 可以检测内存泄漏，这在并发环境中尤为重要。
• 调试器：Xcode 调试器支持并发代码的调试。我们可以在异步函数中设置断点，逐步执行代码，查看变量的值和任务的状态。
• 日志：在关键位置添加日志输出，可以帮助我们跟踪并发代码的执行流程，了解任务的执行顺序和结果。
• os_log：os_log 是 Apple 提供的统一日志系统，它比 print 更高效，并且可以在 Console.app 中进行过滤和搜索。

4. Swift 并发的未来展望

Swift 并发模型仍在不断发展和完善中。未来可能会有更多的新特性和改进，例如：

• 更强大的异步序列：可能会引入更多的异步序列操作符，例如 map、filter、reduce 等，使异步序列的处理更加方便。
• 更细粒度的并发控制：可能会提供更细粒度的并发控制机制，例如更灵活的任务优先级设置、任务依赖关系管理等。
• 更完善的调试工具：可能会有更专门针对并发代码的调试工具，例如可视化任务执行流程、检测死锁等。

5. 并发之道的精髓

Swift 并发提供了一套强大而优雅的工具，让开发者能够以更安全、更高效的方式编写并行代码。通过掌握 async/await、Task、Task Group 和 Actor 等核心概念，并遵循结构化并发的最佳实践，你可以构建出响应迅速、性能卓越的应用程序。

Swift 并发不仅仅是一种技术，更是一种思维方式。它要求我们从任务的角度思考问题，将复杂的程序分解为一系列独立的、可并发执行的任务，并通过合理的调度和同步来保证程序的正确性和效率。

随着 Swift 语言的不断发展，并发编程将会变得越来越重要。掌握 Swift 并发，将使你在未来的软件开发中更具竞争力。 开启并发编程之旅，充分利用 Swift 语言的强大功能，构建更出色的应用程序吧！