【老司机精选】认识 Swift 中的异步与并发-六虎

作者：nuomi1，现在上任于格隆汇，Swift with iOS，果粉 / 米家粉。

审阅：

四娘，iOS 开发，老司机技能周报成员。现在上任于格隆汇，对 Swift 和编译器相关领域感兴趣

Damonwong，iOS 开发，老司机技能周报编辑，上任于淘系技能部

本文根据 Session 10132 / 10134 / 10133 梳理，运用「获取缩略图」的比如对 Swift 5.5 新增的异步与并发编程进行讲解，如需了解更多，欢迎查看其它 Session。

异步

异步编程在 iOS 开发里是一个常见的操作，例如咱们经常需求在网络恳求回来之后更新数据模型和视图。可是当异步操作嵌套时，不仅简单出现逻辑过错，还或许会堕入回调阴间。

`completion` 回调

咱们用「获取缩略图」来举例，先看下下面这段代码，找下有哪些逻辑问题：

func fetchThumbnail(for id: String, completion: @escaping (UIImage?, Error?) -> Void) {
    let request = thumbnailURLRequest(for: id)
    let task = URLSession.shared.dataTask(with: request) { data, response, error in
        if let error = error {
            completion(nil, error)
        } else if (response as? HTTPURLResponse)?.statusCode != 200 {
            completion(nil, FetchError.badID)
        } else {
            guard let image = UIImage(data: data!) else {
                return
            }
            image.prepareThumbnail(of: CGSize(width: 40, height: 40)) { thumbnail in
                guard let thumbnail = thumbnail else {
                    return
                }
                completion(thumbnail, nil)
            }
        }
    }
    task.resume()
}

是的，少部分人能够发现，以上代码有两处过错，都是在 guard 语句之后直接退出，没有调用 completion，这样外部调用就无法处理一切或许的状况。而且不调用 completion 是一个合法（但不契合预期）的行为，编译器不会发生过错。

把留传的两个 completion 补全后，代码如下：

func fetchThumbnail(for id: String, completion: @escaping (UIImage?, Error?) -> Void) {
    let request = thumbnailURLRequest(for: id)
    let task = URLSession.shared.dataTask(with: request) { data, response, error in
        if let error = error {
            completion(nil, error)
        } else if (response as? HTTPURLResponse)?.statusCode != 200 {
            completion(nil, FetchError.badID)
        } else {
            guard let image = UIImage(data: data!) else {
                completion(nil, FetchError.badImage)
                return
            }
            image.prepareThumbnail(of: CGSize(width: 40, height: 40)) { thumbnail in
                guard let thumbnail = thumbnail else {
                    completion(nil, FetchError.badImage)
                    return
                }
                completion(thumbnail, nil)
            }
        }
    }
    task.resume()
}

为了处理这些异步函数的成果，需求运用五个 completion 来告诉调用方，而且调用方需求判别 UIImage? 和 Error? 的 4 种组合成果，但实际上有效的只需 2 种。

咱们先用 Swift 标准库里面的 Result 来处理这个问题，代码如下：

func fetchThumbnail(for id: String, completion: @escaping (Result<UIImage, Error>) -> Void) {
    let request = thumbnailURLRequest(for: id)
    let task = URLSession.shared.dataTask(with: request) { data, response, error in
        if let error = error {
            completion(.failure(error))
        } else if (response as? HTTPURLResponse)?.statusCode != 200 {
            completion(.failure(FetchError.badID))
        } else {
            guard let image = UIImage(data: data!) else {
                completion(.failure(FetchError.badImage))
                return
            }
            image.prepareThumbnail(of: CGSize(width: 40, height: 40)) { thumbnail in
                guard let thumbnail = thumbnail else {
                    completion(.failure(FetchError.badImage))
                    return
                }
                completion(.success(thumbnail))
            }
        }
    }
    task.resume()
}

只需调用方能够知道成果，那么成果一定只需 2 种，要么成功，要么失败，不需求判别其他状况，愈加契合运用习惯，可是这样依然无法防止 completion 被疏忽调用的状况。

运用 `async` 和 `await` 重构函数

为了处理 completion 被疏忽调用的状况，咱们能够尝试运用 Swift 5.5 新增的 async 和 await 来处理这个问题，代码如下：

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 FetchError.badID }
    let maybeImage = UIImage(data: data)
    guard let thumbnail = await maybeImage?.thumbnail else { throw FetchError.badImage }
    return thumbnail
}

过程十分简单：

生成 request 恳求，这是一个同步操作；
恳求数据，try 符号或许抛出过错，await 符号潜在暂停点，这是一个异步操作；
判别回来状况码是否 200，不是则抛出过错；
生成原始图片，这是一个同步操作；
生成缩略图，await 符号潜在暂停点，无法生成则抛出过错，这是一个异步操作；
回来成功生成的缩略图。

相较于前面 completion 版本的 23 行，这儿 async 版本仅需求 8 行，没有函数的层层嵌套，都是一步接一步线性的，易读性大大提升，一起编译器也能够查看过错。

它们是如何作业的

上图是一个普通函数调用，当 thumbnailURLRequest 完结之后，回来 fetchThumbnail 持续履行后续代码，假如这个函数是一个耗时使命，那么当前线程就会持续等候，直到完结。

上图是一个异步函数调用，当 data(for:) 调用后，函数被挂起进行等候，当使命完结后，体系恢复 data(for:) 的调用，回来 fetchThumbnail 持续履行后续代码。

async / await 实际上的意思：

async 允许一个函数被挂起；
await 符号一个异步函数的潜在暂停点；
在挂起期间或许会进行其他作业；
一旦等候的异步调用完结，在 await 之后恢复履行。

也便是说，咱们用 async 符号一个函数是异步函数，这仅仅是一个符号，并不意味着函数一定是异步操作，函数内能够是一个简单的加法（例如 1 + 1），也能够是一个异步的网络恳求。当咱们调用 async 函数时，需求运用 await 关键字进行调用，await 符号一个潜在暂停点。异步函数在履行同步代码时，不能抛弃自己的线程，当履行到潜在暂停点时，会抛弃自己的线程，挂起并等候被调用的异步函数的成果。当被调用的异步函数完结时，操控回来本来的异步函数的潜在暂停点（需求注意这时的线程不一定和之前的相同），持续履行之后的代码。这些线程切换的作业不需求咱们手动处理，由 Swift 主动办理，极大地提高了编程功率。

小结

async / await 的参加让咱们得以运用与同步编程相似的操控流来进行异步编程，不仅能够处理 completion 简单被疏忽的问题，还能够更好地进行过错处理。与此一起，线性的操控流也防止了回调阴间的问题，大大提高代码的可读性。

并发

上个章节咱们介绍了如何获取单张图片的缩略图，但在咱们日常开发中更多的是展示列表，这就需求一起处理多张缩略图。

`completion` 回调处理多个缩略图

假如咱们一个接着一个地处理多个缩略图，或许会写出以下代码：

func fetchThumbnails(
    for ids: [String],
    completion handler: @escaping ([String: UIImage]?, Error?) -> Void
) {
    guard let id = ids.first else { return handler([:], nil) }
    let request = thumbnailURLRequest(for: id)
    let dataTask = URLSession.shared.dataTask(with: request) { data, response, error in
        guard let response = response,
              let data = data
        else {
            return handler(nil, error)
        }
        UIImage(data: data)?.prepareThumbnail(of: thumbSize) { image in
            guard let image = image else {
                return handler(nil, ThumbnailFailedError())
            }
            fetchThumbnails(for: Array(ids.dropFirst())) { thumbnails, error in
                // 增加图片到 thumbnails
            }
        }
    }
    dataTask.resume()
}

代码十分糟糕，递归调用顺次获取缩略图，而且难以整合这些缩略图。除此之外，代码可读性也很低。

运用 `async` 和 `await` 处理多个缩略图

咱们参考上个章节对单张缩略图的处理，试着运用 async 和 await 进行重构，代码如下：

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for id in ids {
        let request = thumbnailURLRequest(for: id)
        let (data, response) = try await URLSession.shared.data(for: request)
        try validateResponse(response)
        guard let image = await UIImage(data: data)?.byPreparingThumbnail(ofSize: thumbSize) else {
            throw ThumbnailFailedError()
        }
        thumbnails[id] = image
    }
    return thumbnails
}

过程十分简单：

声明 thumbnails 保存回来值；
运用 for-in 循环创立使命；
1. 创立恳求；
2. 下载图片；
3. 查看资源合法性；
4. 生成缩略图；
5. 保存缩略图。
回来 thumbnails。

能够发现，仅仅是增加了 for-in 循环，就能够十分方便地次序处理多张缩略图。

运用 `async-let` 处理结构化并发

上面比如的 thumbSize 是本地供给的，处理起来比较简单。假设 thumbSize 也要从网络接口获取，那么在生成缩略图的过程中会有两个网络恳求，代码如下：

func fetchOneThumbnail(withID id: String) async throws -> UIImage {
    let imageReq = imageRequest(for: id), metadataReq = metadataRequest(for: id)
    let (data, _) = try await URLSession.shared.data(for: imageReq)
    let (metadata, _) = try await URLSession.shared.data(for: metadataReq)
    guard let size = parseSize(from: metadata),
          let image = await UIImage(data: data)?.byPreparingThumbnail(ofSize: size)
    else {
        throw ThumbnailFailedError()
    }
    return image
}

能够看到，在 imageReq 恳求完结之后，才建议 metadataReq 恳求，只需两个恳求都完结之后，才能履行之后的代码。咱们能不能让这两个恳求一起进行呢？别的假如在两个恳求和运用他们的回来成果之间有其他的无关使命，无关使命的履行有必要等到两个恳求完结之后，这无疑是一种糟蹋。

咱们能够用 async-let 来处理这个问题，代码如下：

func fetchOneThumbnail(withID id: String) async throws -> UIImage {
    let imageReq = imageRequest(for: id), metadataReq = metadataRequest(for: id)
    async let (data, _) = URLSession.shared.data(for: imageReq)
    async let (metadata, _) = URLSession.shared.data(for: metadataReq)
    guard let size = parseSize(from: try await metadata),
          let image = try await UIImage(data: data)?.byPreparingThumbnail(ofSize: size)
    else {
        throw ThumbnailFailedError()
    }
    return image
}

运用 async let 符号 data 和 metadata，运用 await 进行拜访，假如函数能够抛出过错，那么还需求运用 try 关键字。两个网络恳求会一起进行，而且履行后续代码，即上文提到的无关使命。当需求拜访成果的时分，体系会进行等候直到完结或许抛出过错。这样便能更高效地完结整个使命。

需求注意的是，这两个网络恳求是并发的，假如第一个获取图片的使命失败了抛出过错需求退出函数，Swift 会主动将未等候的使命符号撤销，然后等候它完结再退出函数。使命被符号撤销并不意味着停止使命，仅仅告诉不需求该使命的回来值。

调用异步函数处理多个缩略图

既然 for-in 内部的逻辑便是处理单个缩略图的逻辑，自然而然咱们就会想到直接调用封装好的异步函数，代码如下：

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for id in ids {
        try Task.checkCancellation()
        thumbnails[id] = try await fetchOneThumbnail(withID: id)
    }
    return thumbnails
}

你应该发现了，在获取缩略图之前，调用了 checkCancellation 来进行使命查看。如上文所述，子使命被符号撤销并不会停止使命，咱们能够尽或许地查看使命是否被撤销，提早退出，不再恳求后续的缩略图。

假如希望使命撤销后回来之前现已处理的缩略图，能够运用 isCancelled 进行判别，代码如下：

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    for id in ids {
        if Task.isCancelled { break }
        thumbnails[id] = try await fetchOneThumbnail(withID: id)
    }
    return thumbnails
}

运用使命组进行处理

即使图片数据和元数据现已能够一起恳求了，可是关于整个获取缩略图这个使命而言，依然是一个接一个进行的，假如咱们想要一起进行多个使命，就需求引进使命组进行并发编程，代码如下：

func fetchThumbnails(for ids: [String]) async throws -> [String: UIImage] {
    var thumbnails: [String: UIImage] = [:]
    try await withThrowingTaskGroup(of: (String, UIImage).self) { group in
        for id in ids {
            group.async {
                return (id, try await fetchOneThumbnail(withID: id))
            }
        }
        for try await (id, thumbnail) in group {
            thumbnails[id] = thumbnail
        }
    }
    return thumbnails
}

过程如下：

声明 thumbnails 保存回来值；
调用 withThrowingTaskGroup 创立使命组；
1. 运用 for-in 循环顺次把使命放到使命组，使命被增加时会马上履行，到达最大并发数量后进行等候；
2. 运用 for-await-in 循环顺次取回已处理的缩略图，假如使命还没完结，等候直到完结，或许抛出过错。
回来 thumbnails。

运用使命组能够十分方便地履行并发使命，线程切换和派发使命都由 Swift 进行办理，不需求咱们编写杂乱的操控逻辑。

`async-let` 与使命组的关系

事实上，async-let 和使命组都有使命依靠树的概念，即一个父使命有一个或多个子使命，而这个父使命又是它的父使命的子使命。当一个子使命因为过错而导致父使命需求抛出过错退出时，这个子使命的兄弟使命会被符号撤销，父使命需求等候这些使命完结或许抛出过错（但会疏忽这些使命的回来值或许过错），才能真正退出。

async-let 能够看做简化版的使命组（实际上并不是使命组的语法糖），十分合适处理不同回来类型的异步使命，等候这些异步使命的回来成果，然后组合它们再持续后面的使命。

而使命组更合适处理数量不定的相同回来类型的异步使命，在遍历使命组的回来成果时能够运用一个或许多个回来成果。例如两个相同回来类型的使命，只需求处理第一个回来的成果，使命组十分方便，但 async-let 难以完成。

小结

只需 async / await 的代码是不具备并发能力的，结构化并发的参加让咱们得以用少量的代码在 async / await 的基础上完成并发编程，一起能够持续运用过错处理和线性操控流。

Actor

上两个章节咱们介绍了异步与并发，语法简练的一起功能强大。并发虽然高效，可是假如没有采纳手段加以操控，很简单发生数据竞赛的问题。

数据竞赛

幻想一下，下面代码的输出成果是什么：

class Counter {
    var value = 0
    func increment() -> Int {
        value = value + 1
        return value
    }
}
let counter = Counter()
let queue1 = DispatchQueue(label: "queue_1")
let queue2 = DispatchQueue(label: "queue_2")
queue1.async {
    print(counter.increment())
}
queue2.async {
    print(counter.increment())
}

1,1、1,2、2,1、2,2，都有或许，取决于 value 的写入和读取机遇。

共享的可变状况会引发数据竞赛，一般咱们运用锁来处理数据竞赛，可是锁的粒度欠好操控，处理得欠好还会引发死锁。

Actor 模型

锁的粒度欠好操控，也简单形成死锁，咱们能够运用 Swift 5.5 新增的 actor 来处理数据竞赛的问题。

那什么是 Actor 呢？（摘自这儿）

Actor 是一种并发模型，由状况（State）、行为（Behavior）、邮箱（Mailbox）三者组成。

状况：actor 持有的变量，由本身办理，防止并发环境下的锁问题；
行为：actor 中的计算逻辑，通过 actor 接收到的音讯来改动本身的状况；
邮箱：actor 之间通讯的桥梁，内部运用 FIFO 队列来存储和处理音讯，接收方从邮箱中获撤销息。

Actor 模型描绘了一组为防止并发编程问题的公理。

一切 actor 状况都是本地的，外部无法拜访；
actor 之间有必要通过音讯传递进行通讯；
一个 actor 能够响应音讯、退出新的 actor、改动内部状况、把音讯发送给一个或多个 actor；
actor 或许会堵塞自己可是不应该堵塞运转的线程。

在 Swift 中，actor 是一种引证类型，而且不能够被继承。actor 内界说的变量和办法都是阻隔的，在内部运用能够直接拜访，而在外部需求运用 await 进行异步拜访。对 actor 的变量拜访和办法调用都是音讯，在同一时间只需一条音讯能够被处理，多条音讯依照次序顺次被处理。当某一条音讯需求 await 等候其他异步使命时，音讯会被挂起进行等候，actor 得以处理邮箱中的后续音讯，表现为 actor 是可重入的。这就需求咱们运用额外的机制来处理重复的恳求，防止资源的糟蹋。

运用 actor 完成 Counter

咱们运用 actor 来处理 Counter 的数据竞赛问题，代码如下：

actor Counter {
    var value = 0
    func increment() -> Int {
        value = value + 1
        return value
    }
}
let counter = Counter()
asyncDetached {
    print(await counter.increment())
}
asyncDetached {
    print(await counter.increment())
}

成果要么是 1,2，要么是 2,1，不会存在 1,1 和 2,2 的状况。

运用 actor 处理图片下载

咱们试着运用 actor 完成一个图片下载器，代码如下：

actor ImageDownloader {
    private var cache: [URL: Image] = [:]
    func image(from url: URL) async throws -> Image? {
        if let cached = cache[url] {
            return cached
        }
        let image = try await downloadImage(from: url)
        cache[url] = image
        return image
    }
}

当咱们一起获取两种相同的图片时，图片下载器会先建议一个异步使命，当进行到 await 等候下载成果时，函数被挂起，然后建议第二个异步使命。假如先取回的图片是正确的，后取回的却是过错的，那么最终缓存下来的会是坏的。咱们需求处理这类问题，一种处理方案是把先取回的当做正确的，后取回的疏忽，代码如下：

actor ImageDownloader {
    private var cache: [URL: Image] = [:]
    func image(from url: URL) async throws -> Image? {
        if let cached = cache[url] {
            return cached
        }
        let image = try await downloadImage(from: url)
        cache[url] = cache[url, default: image]
        return cache[url]
    }
}

更好的处理方案是把下载使命保存起来，先建议第一个异步使命并保存，假如在回来成果之前触发了第2次恳求，那么就把上面保存的使命取出，并等候它完结。因为使命是同一个，所以只会宣布一个网络恳求，代码如下：

actor ImageDownloader {
    private enum CacheEntry {
        case inProgress(Task.Handle<Image, Error>)
        case ready(Image)
    }
    private var cache: [URL: CacheEntry] = [:]
    func image(from url: URL) async throws -> Image? {
        if let cached = cache[url] {
            switch cached {
            case .ready(let image):
                return image
            case .inProgress(let handle):
                return try await handle.get()
            }
        }
        let handle = async {
            try await downloadImage(from: url)
        }
        cache[url] = .inProgress(handle)
        do {
            let image = try await handle.get()
            cache[url] = .ready(image)
            return image
        } catch {
            cache[url] = nil
            throw error
        }
    }
}

小结

actor 的参加，让咱们得以用一种新的方式来进行异步与并发编程，一起不需求处理数据竞赛的问题。在 actor 内拜访自有属性和办法都是同步逻辑，对外则表现为异步逻辑，同一时间只能处理一条音讯，多条音讯次序处理，这些规则为 actor 的高并发性供给了确保。

总结

异步代码的操控流难以编写，难以阅览，Swift 引进 async / await 处理异步编程的问题；
异步不代表并发，只用 async / await 编写的代码不具有并发性，Swift 引进结构化并发让 async / await 编写的代码履行并发使命，一起处理一些操控流上的问题；
异步与并发虽好，随之而来的是数据竞赛，Swift 引进 actor 来处理共享可变状况的问题，状况被阻隔在 actor 内部，修正只能通过向 actor 发送信息并等候成果，音讯被 actor 以同步的方式进行处理，防止同一时间对数据进行修正。

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【老司机精选】认识 Swift 中的异步与并发

异步

completion 回调

运用 async 和 await 重构函数

它们是如何作业的

小结

并发

completion 回调处理多个缩略图

运用 async 和 await 处理多个缩略图

运用 async-let 处理结构化并发

调用异步函数处理多个缩略图

运用使命组进行处理

async-let 与使命组的关系

小结

Actor

数据竞赛

Actor 模型

运用 actor 完成 Counter

运用 actor 处理图片下载

小结

总结

重视咱们

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