Оволодіння Swift Concurrency: розуміння задач, виконавців та підвищення пріоритету у Swift 6

Swift 6 кардинально змінив підхід розробників до конкуренції у своїх додатках. Цей всебічний посібник розкриває механізми нової моделі Swift, порівнює її з традиційними підходами до потоків і демонструє практичні шаблони для створення відзивчивого, потокобезпечного коду.

Що таке конкуренція і чому вона важлива

Конкуренція дозволяє кільком одиницям роботи виконуватися одночасно, значно покращуючи відзивчивість і продуктивність додатків. Однак традиційні моделі конкуренції вводять значну складність — гонки даних, взаємні блокування, порушення безпеки пам’яті та накладні витрати на управління потоками, що турбують команди розробників по всьому світу.

Swift Concurrency вирішує ці проблеми напряму, забезпечуючи суворі гарантії безпеки під час компіляції та надаючи розробникам інтуїтивно зрозумілі абстракції. Фреймворк вирішує кілька критичних проблем:

Основні виклики, що вирішуються:

• Гонки даних: усуває непередбачувану поведінку при одночасному доступі до спільного змінюваного стану через протокол Sendable та ізоляцію акторів
• Цикли зворотних викликів: замінює вкладені обробники завершення чистим синтаксисом async/await, що значно покращує читабельність і підтримку коду
• Накладні витрати на потоки: абстрагує низькорівневе створення та синхронізацію потоків, дозволяючи розробникам зосередитися на бізнес-логіці, а не на конкуренційних деталях
• Координація задач: структурована конкуренція забезпечує чітку ієрархію задач із автоматичним поширенням скасувань і обробкою помилок

Результатом є модель конкуренції, яка не лише безпечніша за задумом, але й більш продуктивна та легка для розуміння.

Як сучасні системи виконують конкуренційні задачі: Моделі багатозадачності

Щоб зрозуміти Swift Concurrency, потрібно спершу зрозуміти, як операційні системи керують конкуренційним виконанням. Існує дві конкуруючі моделі, кожна з яких має свої переваги та недоліки.

Превентивна багатозадачність: Традиційна модель потоків

Операційні системи традиційно використовують превентивну багатозадачність для управління потоками. У цій моделі планувальник ОС може примусово перервати будь-який потік у будь-який момент — навіть під час операції — щоб виділити час ЦП для інших процесів. Це забезпечує справедливий розподіл ресурсів і запобігає «зависанню» погано працюючих потоків.

Як це працює: Планувальник виконує контекстні перемикання, зберігаючи весь стан потоку — (реєстри ЦП, інструкційний вказівник, стек) — і відновлює стан іншого потоку. На багатоядерних системах це дозволяє справжній паралелізм.

Вартість: Ця гнучкість вимагає захисного програмування. Розробники повинні захищати спільний змінюваний стан за допомогою м’ютексів, семафорів або атомарних операцій — інакше ризикують гонками даних і збоями. Самі контекстні перемикання є дорогими, оскільки включають очищення кешу ЦП, скидання TLB і переходи в режим ядра. В ситуаціях високого конкуренції накладні витрати на перемикання стають критичними.

Співпраця багатозадачність: Легкий альтернативний підхід Swift

Swift Concurrency використовує співпрацю багатозадачність — принципово інший підхід. Тут задачі виконуються до тих пір, поки самі не призупиняться — зазвичай у точці очікування або через явний виклик Task.yield(). Час виконання не переривається примусово.

Механізм: Замість того, щоб потоки виконувалися як постійні сутності, Swift розглядає кожен потік як конвеєр continuation — легкий, відновлюваний фрагмент коду. Коли async-функція досягає await:

1. Компилятор перетворює функцію у стан машинки
2. Поточний стан виконання зберігається у виділеному з купи continuation
3. Continuation додається до черги для подальшого виконання
4. Потік негайно бере наступний готовий continuation

Це повністю усуває накладні витрати на контекстні перемикання. Немає реєстрів ЦП для збереження, немає скидання TLB, немає переходів у режим ядра. Перемикання задач стає просто викликом функції.

Перевага: Ви жертвуєте більшою кількістю алокацій у купі заради значно нижчих накладних витрат на планування. Відповідальність переходить до розробників: довгі операції мають включати точки призупинення, інакше вони «голодуватимуть» інші задачі.

Розуміння задач: одиниця конкуренційної роботи

Задача (Task) — це дискретна одиниця асинхронної роботи у Swift. На відміну від простого виклику async-функції (яка виконується синхронно до першої точки призупинення), задача — це керований об’єкт, що виконується одночасно у рамках конкуренційного середовища Swift.

Створення задачі та спадкування контексту

Створення задачі є простим: