Swift 中的 Actors 使用以如何及防止數據競爭

作者：Swift君 2023-03-10 09:00:47

Swift 中的 Actors 旨在完全解決數據競爭問題，但重要的是要明白，很可能還是會遇到數據競爭。本文將介紹 Actors 是如何工作的，以及你如何在你的項目中使用它們。

前言

Swift Actors 是 Swift 5.5 中的新內容，也是 WWDC 2021 上并發重大變化的一部分。在有 actors 之前，數據競爭是一個常見的意外情況。因此，在我們深入研究具有隔離和非隔離訪問的行為體之前，最好先了解什么是數據競爭[1]，并了解當前你如何解決這些問題[2]。

什么是 Actors?

Swift 中的 Actor 并不新鮮：它們受到 Actor Model[3] 的啟發，該模型將行為視為并發計算的通用基元。然后，SE-0306[4]提案引入了 Actor，并解釋了它們解決了哪些問題：數據競爭。

當多個線程在沒有同步的情況下訪問同一內存，并且至少有一個訪問是寫的時候，就會發生數據競爭。數據競爭會導致不可預測的行為、內存損壞、不穩定的測試和奇怪的崩潰。你可能會遇到無法解決的崩潰，因為你不知道它們何時發生，如何重現它們，或者如何根據理論來修復它們。

Swift 中的 Actors 可以保護他們的狀態免受數據競爭的影響，并且使用它們可以讓編譯器在編寫應用程序時為我們提供有用的反饋。此外，Swift 編譯器可以靜態地強制執行 Actors 附帶的限制，并防止對可變數據的并發訪問。

您可以使用 actor 關鍵字定義一個 Actor，就像您使用類或結構體一樣：

actor ChickenFeeder {
    let food = "worms"
    var numberOfEatingChickens: Int = 0
}

Actor 和其他 Swift 類型一樣，它們也可以有初始化器、方法、屬性和子標號，同時你也可以用協議和泛型來使用它們。此外，與結構體不同的是：當你定義的屬性需要手動定義時，actor 需要自定義初始化器。最后，重要的是要認識到 actor 是引用類型。

Actor 是引用類型，但與類相比仍然有所不同

Actor 是引用類型，簡而言之，這意味著副本引用的是同一塊數據。因此，修改副本也會修改原始實例，因為它們指向同一個共享實例。你可以在我的文章Swift 中的 Struct 與 class 的區別中了解更多這方面的信息。

然而，與類相比，Actor 有一個重要的區別：他們不支持繼承。

Swift中的Actor幾乎和類一樣，但不支持繼承。

Swift 中的 Actor 幾乎和類一樣，但不支持繼承。

不支持繼承意味著不需要像便利初始化器和必要初始化器、重寫、類成員或 open? 和 final 語句等功能。

然而，最大的區別是由 Actor 的主要職責決定的，即隔離對數據的訪問。?

如何防止數據競爭

Actors 如何通過同步來防止數據競爭。

Actor 通過創建對其隔離數據的同步訪問來防止數據競爭。在Actors之前，我們會使用各種鎖來創建相同的結果。這種鎖的一個例子是并發調度隊列與處理寫訪問的屏障相結合。受我在Concurrent vs. Serial DispatchQueue: Concurrency in Swift explained[5]一文中解釋的技術的啟發。我將向你展示使用 Actor 的前后對比。

在 Actor 之前，我們會創建一個線程安全的小雞喂食器，如下所示：

final class ChickenFeederWithQueue {
    let food = "worms"
    
    /// 私有支持屬性和計算屬性的組合允許同步訪問。
    private var _numberOfEatingChickens: Int = 0
    var numberOfEatingChickens: Int {
        queue.sync {
            _numberOfEatingChickens
        }
    }
    
    /// 一個并發的隊列，允許同時進行多次讀取。
    private var queue = DispatchQueue(label: "chicken.feeder.queue", attributes: .concurrent)
    
    func chickenStartsEating() {
        /// 使用柵欄阻止寫入時的讀取
        queue.sync(flags: .barrier) {
            _numberOfEatingChickens += 1
        }
    }
    
    func chickenStopsEating() {
        /// 使用柵欄阻止寫入時的讀取
        queue.sync(flags: .barrier) {
            _numberOfEatingChickens -= 1
        }
    }
}

正如你所看到的，這里有相當多的代碼需要維護。在訪問非線程安全的數據時，我們必須仔細考慮自己使用隊列的問題。需要一個柵欄標志來停止讀取并允許寫入。再一次，我們需要自己來處理這個問題，因為編譯器并不強制執行它。最后，我們在這里使用了一個 DispatchQueue，但是經常有圍繞著哪個鎖是最好的爭論。

為了看清這一點，我們可以使用我們先前定義的 Actor 小雞喂食器來實現上述例子：

actor ChickenFeeder {
    let food = "worms"
    var numberOfEatingChickens: Int = 0
    
    func chickenStartsEating() {
        numberOfEatingChickens += 1
    }
    
    func chickenStopsEating() {
        numberOfEatingChickens -= 1
    }
}

你會注意到的第一件事是，這個實例更簡單，更容易閱讀。所有與同步訪問有關的邏輯都被隱藏在Swift標準庫中的實現細節里。然而，最有趣的部分發生在我們試圖使用或讀取任何可變屬性和方法的時候:

Methods in Actors are isolated for synchronized access.

Actors 中的方法是隔離的，以便同步訪問。

在訪問可變屬性 numberOfEatingChickens 時，也會發生同樣的情況：

Mutable properties can only be accessed from within the Actor.

可變的屬性只能從 Actor 內部訪問。

然而，我們被允許編寫以下代碼：

let feeder = ChickenFeeder()
print(feeder.food)

我們的喂食器上的 food 屬性是不可變的，因此是線程安全的。沒有數據競爭的風險，因為在讀取過程中，它的值不能從另一個線程中改變。

然而，我們的其他方法和屬性會改變一個引用類型的可變狀態。為了防止數據競爭，需要同步訪問，允許按順序訪問。

使用 async/await 訪問數據

使用 async/await 從 Actors 訪問數據

在 Swift 中，我們可以通過使用 await 關鍵字來創建異步訪問：

let feeder = ChickenFeeder()
await feeder.chickenStartsEating()
print(await feeder.numberOfEatingChickens) // Prints: 1

防止不必要的暫停

在上面的例子中，我們正在訪問我們 Actor 的兩個不同部分。首先，我們更新吃食的雞的數量，然后我們執行另一個異步任務，打印出吃食的雞的數量。每個 await 都會導致你的代碼暫停，以等待訪問。在這種情況下，有兩個暫停是有意義的，因為兩部分其實沒有什么共同點。然而，你需要考慮到可能有另一個線程在等待調用 chickenStartsEating，這可能會導致在我們打印出結果的時候有兩只吃食的雞。

為了更好地理解這個概念，讓我們來看看這樣的情況：你想把操作合并到一個方法中，以防止額外的暫停。例如，設想在我們的 actor 中有一個通知方法，通知觀察者有一只新的雞開始吃東西：

extension ChickenFeeder {
    func notifyObservers() {
        NotificationCenter.default.post(name: NSNotification.Name("chicken.started.eating"), object: numberOfEatingChickens)
    }
}

我們可以通過使用 await 兩次來使用此代碼：

let feeder = ChickenFeeder()
await feeder.chickenStartsEating()
await feeder.notifyObservers()

然而，這可能會導致兩個暫停點，每個 await 都有一個。相反，我們可以通過從 chickenStartsEating 中調用 notifyObservers 方法來優化這段代碼：

func chickenStartsEating() {
    numberOfEatingChickens += 1
    notifyObservers()
}

由于我們已經在 Actor 內有了同步的訪問，我們不需要另一個等待。這些都是需要考慮的重要改進，因為它們可能會對性能產生影響。

非隔離(nonisolated)訪問

Actor 內的非隔離(nonisolated)訪問。

了解 Actor 內部的隔離概念很重要。上面的例子已經展示了如何通過要求使用 await 從外部參與者實例同步訪問。但是，如果您仔細觀察，您可能已經注意到我們的 notifyObservers 方法不需要使用 await 來訪問我們的可變屬性 numberOfEatingChickens。

當訪問 Actor 中的隔離方法時，你基本上可以訪問任何其他需要同步訪問的屬性或方法。因此，你基本上是在重復使用你給定的訪問，以獲得最大的收益。

然而，在有些情況下，你知道不需要有隔離的訪問。actor 中的方法默認是隔離的。下面的方法只訪問我們的不可變的屬性 food，但仍然需要 await 訪問它:

let feeder = ChickenFeeder()
await feeder.printWhatChickensAreEating()

這很奇怪，因為我們知道，我們不訪問任何需要同步訪問的東西。SE-0313[6]的引入正是為了解決這個問題。我們可以用 nonisolated 關鍵字標記我們的方法，告訴 Swift編譯器我們的方法沒有訪問任何隔離數據：

extension ChickenFeeder {
    nonisolated func printWhatChickensAreEating() {
        print("Chickens are eating \(food)")
    }
}

let feeder = ChickenFeeder()
feeder.printWhatChickensAreEating()

注意，你也可以對計算的屬性使用 nonisolated 的關鍵字，這對實現 CustomStringConvertible 等協議很有幫助：

extension ChickenFeeder: CustomStringConvertible {   
    nonisolated var description: String {     
        "A chicken feeder feeding \(food)"   
    } 
}

然而，在不可變的屬性上定義它們是不需要的，因為編譯器會告訴你：

Marking immutable properties nonisolated is redundant.

將不可變的屬性標記為 nonisolated 是多余的。

為什么會出現數據競爭

為什么在使用 Actors 時仍會出現數據競爭？

當在你的代碼中持續使用 Actors 時，你肯定會降低遇到數據競爭的風險。創建同步訪問可以防止與數據競爭有關的奇怪崩潰。然而，你顯然需要持續地使用它們來防止你的應用程序中出現數據競爭。

在你的代碼中仍然可能出現競爭條件，但可能不再導致異常。認識到這一點很重要，因為Actors 畢竟被宣揚為可以解決一切問題的工具。例如，想象一下兩個線程使用 await正確地訪問我們的 Actor 的數據：

queueOne.async {
    await feeder.chickenStartsEating()
}
queueTwo.async {
    print(await feeder.numberOfEatingChickens)
}

這里的競爭條件定義為：“哪個線程將首先開始隔離訪問？”。所以基本上有兩種結果：

隊列一在先，增加吃食的雞的數量。隊列二將打印：1
隊列二在先，打印出吃食的雞的數量，該數量仍為：0

這里的不同之處在于我們在修改數據時不再訪問數據。如果沒有同步訪問，在某些情況下這可能會導致無法預料的行為。

結論

Swift Actors 解決了用 Swift 編寫的應用程序中常見的數據競爭問題。可變數據是同步訪問的，這確保了它是安全的。我們還沒有介紹 MainActor 實例，它本身就是一個主題。我將確保在以后的文章中介紹這一點。希望您能夠跟隨并知道如何在您的應用程序中使用 Actor。

參考資料

[1]數據競爭: https://www.avanderlee.com/swift/thread-sanitizer-data-races/#what-are-data-races?。

[2]解決這些問題: https://www.avanderlee.com/swift/thread-sanitizer-data-races/#using-the-thread-sanitizer-to-detect-data-races?。

[3]Actor Model: https://en.wikipedia.org/wiki/Actor_model?。

[4]SE-0306: https://github.com/apple/swift-evolution/blob/main/proposals/0306-actors.md?。

[5]Concurrent vs. Serial DispatchQueue: https://www.avanderlee.com/swift/concurrent-serial-dispatchqueue/。

[6]SE-0313: https://github.com/apple/swift-evolution/blob/main/proposals/0313-actor-isolation-control.md?。

責任編輯：姜華來源： Swift社區

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