Swift之深入解析如何使用并发系统并行运行多个任务

一、从异步到并发

  • Swift 内置并发系统的好处之一是它可以更轻松地并行执行多个异步任务,反过来又可以使我们显著加快可以分解为单独部分的操作。
  • 假设正在开发某种形式的购物应用程序来显示各种产品,并且已经实现了一个 ProductLoader 允许使用一系列异步 API 加载不同产品集合的应用程序,如下所示:
class ProductLoader {
    ...

    func loadFeatured() async throws -> [Product] {
        ...
    }
    
    func loadFavorites() async throws -> [Product] {
        ...
    }
    
    func loadLatest() async throws -> [Product] {
        ...
    }
}
  • 尽管大多数情况下上述每个方法都可能会被单独调用,但假设在应用程序的某些部分中,还希望形成一个 Recommendations 包含这三个 ProductLoader 方法的所有结果的组合模型:
extension Product {
    struct Recommendations {
        var featured: [Product]
        var favorites: [Product]
        var latest: [Product]
    }
}
  • 一种方法是使用 await 关键字调用每个加载方法,然后使用这些调用的结果来创建 Recommendations 模型的实例,如下所示:
extension ProductLoader {
    func loadRecommendations() async throws -> Product.Recommendations {
        let featured = try await loadFeatured()
let favorites = try await loadFavorites()
let latest = try await loadLatest()
        
        return Product.Recommendations(
            featured: featured,
            favorites: favorites,
            latest: latest
        )
    }
}
  • 上面的实现确实有效,然而即使三个加载操作都是完全异步的,它们目前正在按顺序执行,一个接一个。因此,尽管 loadRecommendations 方法相对于应用程序的其他代码正在并发执行,但实际上它还没有利用并发来执行其内部操作集。
  • 由于产品加载方法不以任何方式相互依赖,因此实际上没有理由按顺序执行它们,所以来看看如何让它们完全同时执行。关于如何做到这一点的初步想法可能是将上述代码简化为单个表达式,这将使我们能够使用单个 await 关键字来等待我们的每个操作完成:
extension ProductLoader {
    func loadRecommendations() async throws -> Product.Recommendations {
        try await Product.Recommendations(
            featured: loadFeatured(),
            favorites: loadFavorites(),
            latest: loadLatest()
        )
    }
}
  • 然而,即使代码现在看起来是并发的,它实际上仍会像以前一样完全按顺序执行。相反,我们需要利用 Swift 的 async let 绑定来告诉并发系统并行执行每个加载操作,使用该语法能够在后台启动异步操作,而无需立即等待它完成。
  • await 如果在实际使用加载的数据时(即形成模型时)将其与单个关键字组合 Recommendations,那么将获得并行执行加载操作的所有好处,而无需担心状态管理或数据竞争之类的事情:
extension ProductLoader {
    func loadRecommendations() async throws -> Product.Recommendations {
        async let featured = loadFeatured()
async let favorites = loadFavorites()
async let latest = loadLatest()
        
        return try await Product.Recommendations(
            featured: featured,
            favorites: favorites,
            latest: latest
        )
    }
}
  • 因此 async let,当有一组已知的、有限的任务要执行时,它提供了一种同时运行多个操作的内置方法,但如果不是这样呢?

二、任务组

  • 现在假设正在开发一个 ImageLoader 可以通过网络加载图像的工具,要从给定的加载单个图像 URL,可以使用如下所示的方法:
class ImageLoader {
    ...

    func loadImage(from url: URL) async throws -> UIImage {
        ...
    }
}
  • 为了使一次加载一系列图像变得简单,还需创建一个方便的 API,它接受一个 URL 数组并异步返回一个图像字典,该字典由下载图像的 URL 键控:
extension ImageLoader {
    func loadImages(from urls: [URL]) async throws -> [URL: UIImage] {
        var images = [URL: UIImage]()
        
        for url in urls {
            images[url] = try await loadImage(from: url)
        }
        
        return images
    }
}
  • 现在就像 ProductLoader 之前的工作一样,想让上面的 loadImages 方法并发执行,而不是按顺序下载每个图像(目前是这种情况,因为 await 在调用时直接使用 loadImage 的 for 循环)。但是,这次我们将无法使用 async let,因为需要执行的任务数量在编译时是未知的。值得庆幸的是,Swift 并发工具箱中还有一个工具可以并行执行动态数量的任务:任务组。
  • 要形成一个任务组,可以调用 withTaskGroup 或 withThrowingTaskGroup,这取决于是否希望可以选择在任务中抛出错误。在这种情况下,我们将选择后者,因为底层 loadImage 方法是用 throws 关键字标记的。然后将遍历每个 URL,就像以前一样,只是这次将每个图像加载任务添加到组中,而不是直接等待它完成。相反,将 await 在添加每个任务之后单独分组结果,这将允许图像加载操作完全并发执行:
extension ImageLoader {
    func loadImages(from urls: [URL]) async throws -> [URL: UIImage] {
        try await withThrowingTaskGroup(of: (URL, UIImage).self) { group in
            for url in urls {
                group.addTask{
    let image = try await self.loadImage(from: url)
    return (url, image)
} 
            }
            
            var images = [URL: UIImage]()
            
            for try await (url, image) in group {
    images[url] = image
}
            
            return images
        }
    }
}
  • 就像使用 async let 时一样,以我们的操作不会直接改变任何状态的方式编写并发代码的一个巨大好处是,这样做可以完全避免任何类型的数据竞争问题,同时也不需要引入任何锁定或序列化代码混合在一起。因此,在可能的情况下,让我们的每个并发操作返回一个完全独立的结果,然后依次返回这些结果以形成最终数据集,这通常是一种很好的方法。

三、总结

  • 仅仅因为给定的函数被标记为 async 并不一定意味着它同时执行它的工作。相反,如果这是想要做的,我们必须故意让任务并行运行,这只有在执行一组可以独立运行的操作时才有意义。

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