本文是『 Swift 新并发结构』系列文章的第四篇，首要介绍基于 Task 的结构化并发 (Structured concurrency) 和非结构化并发使命 (Unstructured tasks)。

本系列文章对 Swift 新并发结构中触及的内容逐一进行介绍，内容如下：

Swift 新并发结构之 async/await
Swift 新并发结构之 actor
Swift 新并发结构之 Sendable
Swift 新并发结构之 Task

本文一起宣布于我的个人博客

Overview

前三篇文章分别介绍了用于将异步代码同步化的 async/await、并发安全模型 actor 以及用于束缚在并发环境下能够安全传值的 Sendable。

严厉含义上说，它们并不具备供给「并发」的才能，而是为并发供给若干基础辅助功用。

本文主角 Task 则能供给「并发履行」的才能。

Task

几个要害点：

并发环境中履行使命的基本单元 (「代码块」)；
一切的异步函数 (async) 都运转在 Task 内；
Task 归于线程之上的更高档笼统，由体系担任在适宜的线程上调度履行 Task。

Task 有 3 种状况：

暂停 (suspended) — 有 2 种状况会导致 Task 处于暂停状况：
- Task 已准备就绪等候体系分配履行线程；
- 等候外部事情，如 Task 遇到 suspension point 后或许会进入暂停状况并等候外部事情来唤醒。
ps. 需求留意的是，异步函数 (A) 调用另一个异步函数 (B)时，调用方会暂停，并不意味着整个 Task 会暂停。

从函数 A 的视角看，其会暂停等候函数 B 回来；

但从 Task 视角看，其不一定会暂停，或许会持续在其上履行被调用的函数 B；

当然，Task 也或许会被暂停，假如被调用的函数要在不同的并发上下文中履行。
运转中 (running) — Task 当时正在某个线程上运转，直至完结，或遇到 suspension point 而进入暂停状况；
已完结 (completed) — Task 一切工作都已完结。

总之，Task 是线程的高档笼统，用于履行一项使命。

Task 供给了一些高档笼统才能：

Task 能够携带调度信息，如：使命优先级；
Task 作为正在履行的使命的句柄 (Handle)，能够用于 cancel 等；
Task 能够携带用户供给的 task-local data。

Structured concurrency

Structured concurrency，结构化并发，听起来挺玄乎。

说白了，便是在 Task 间能够有父子关系，并形成一颗「Task tree」：

经过 Task 间的父子关系能够更好地对一组 Task 进行管理：

子 Task 的生命周期不会超出父 Task 的范围 (这点非常重要)；
cancel 更便捷 (cancel 某个 Task 时，其一切子 Task 也会被 cancel)；
过错处理更方便了，未处理的 error 会主动从子 Task 传播到父 Task；
子 Task 默许会承继父 Task 的优先级；
父子 Task 间会同享 Task-local data；
父 Task 能够很简略收集子 Task 的成果。

以上便是结构化并发的悉数！

下面，就其间的细节逐一展开讨论。

现在，完结结构化并发有 2 种办法：

async let；
Task group。

`async let`

1  // given: 
2  //   func chopVegetables() async throws -> [Vegetables]
3  //   func marinateMeat() async -> Meat
4  //   func preheatOven(temperature: Int) async -> Oven
5  //
6  func makeDinner() async throws -> Meal {
7    async let veggies = chopVegetables()
8    async let meat = marinateMeat()
9    async let oven = preheatOven(temperature: 350)
10
11   let dish = Dish(ingredients: await [try veggies, meat])
12   return try await oven.cook(dish, duration: .hours(3))
13 }

先经过一个比如感受一下，几个要害点：

对异步函数的调用不必 await，而是在赋值表达式的最左边加上 async let (第 7~8 行)，称之为 async let binding；
在需求使用 async let 表达式的成果时要用 await，如成果或许会抛出过错，还需求处理过错 (第 11~12 行)；
async let 只能出现在异步上下文中 (Task closure、async function 以及 async closure)。

上述比如来自：swift-evolution/0317-async-let.md at main apple/swift-evolution GitHub

以上是咱们的直观感受，其背后的完结机制是：

体系为每个 async let 创立一个并发的子使命；
子使命创立后立马开端履行；
子使命会持续父使命的优先级以及 task-local datas。

因而，如上例，会创立 3 个并发子使命分别履行 chopVegetables、marinateMeat 以及 preheatOven。

Implicit`async let`awaiting

有个问题：正常流程下，对 async let 需求履行 await 操作，假如不履行 await 会怎样呢？

会导致子使命溢出吗？(超出父使命的生命周期？)

答案是否定的。

1  func makeDinner() async throws -> Meal {
2    async let veggies = chopVegetables()
3    async let meat = marinateMeat()
4    async let oven = preheatOven(temperature: 350)
5  }

如上代码，体系会添加隐式 cancel、await：

1  func makeDinner() async throws -> Meal {
2    async let veggies = chopVegetables()
3    async let meat = marinateMeat()
4    async let oven = preheatOven(temperature: 350)
5    // implicitly: cancel veggies
6    // implicitly: cancel meat
7    // implicitly: cancel oven
8    // implicitly: await veggies
9    // implicitly: await meat
10   // implicitly: await oven
11 }

咱们经过一个简略的比如验证一下上述结论：

1   func noAwaitAsynclet() async {
2     print("begin noAwaitAsynclet")
3     try? await Task.sleep(nanoseconds: 1_000_000_000)
4     Task.isCancelled ? print("noAwaitAsynclet is cancelled") : print("end noAwaitAsynclet")
5   }
6  
7   func testAsynclet() async {
8     let parentTask =
9     Task {
10      async let test = noAwaitAsynclet()
11    }
12    
13    await parentTask.value
14    print("parentTask finished!")
15  }

调用 testAsynclet 办法的输出：

begin noAwaitAsynclet
noAwaitAsynclet is cancelled
parentTask finished!

cancel

正如前文所述，在结构化并发中 cancel 操作会从父使命传递给一切子使命。

1   func noAwaitAsynclet() async {
2     print("begin noAwaitAsynclet")
3     try? await Task.sleep(nanoseconds: 1_000_000_000)
4     Task.isCancelled ? print("noAwaitAsynclet is cancelled") : print("end noAwaitAsynclet")
5   }
6  
7   func testAsynclet() async {
8     let parentTask =
9     Task {
10      async let test = noAwaitAsynclet()
11      await test
12    }
13    
14    parentTask.cancel()
15    await parentTask.value
16    print("parentTask finished!")
17  }

对前面那个比如简略改动一下：

第 11 行添加对 test 的 await；
第 14 行对 parentTask 履行 cancel。

其输出：

begin noAwaitAsynclet
noAwaitAsynclet is cancelled
parentTask finished!

能够看到，对父使命的 cancel 操作传递到了 async let 子使命。

Task group

用 Task group 重写 makeDinner 来直观感受一下 Task group：

func makeDinner() async throws -> Meal {
  // Prepare some variables to receive results from our concurrent child tasks
  var veggies: [Vegetable]?
  var meat: Meat?
  var oven: Oven?
  enum CookingStep { 
    case veggies([Vegetable])
    case meat(Meat)
    case oven(Oven)
  }
  // Create a task group to scope the lifetime of our three child tasks
  try await withThrowingTaskGroup(of: CookingStep.self) { group in
    group.addTask {
      try await .veggies(chopVegetables())
    }
    group.addTask {
      await .meat(marinateMeat())
    }
    group.addTask {
      try await .oven(preheatOven(temperature: 350))
    }
    for try await finishedStep in group {
      switch finishedStep {
        case .veggies(let v): veggies = v
        case .meat(let m): meat = m
        case .oven(let o): oven = o
      }
    }
  }
  let dish = Dish(ingredients: [veggies!, meat!])
  return try await oven!.cook(dish, duration: .hours(3))
}

几个要害点：

Task group 没有揭露的 init 办法，只能经过 withTaskGroup 或 withThrowingTaskGroup 办法来取得 Task group 实例；
经过 Task group 的 addTask 办法能够创立并发履行的子使命，且子使命的数量能够是动态的；
同一 group 中一切子使命的成果类型有必要相同；

上例是经过 enum (CookingStep)封装相关值的办法使得一切子使命成果类型相同的。
子使命的生命周期不会超出 group 生命周期；

因而当 group(withTaskGroup、withThrowingTaskGroup) 办法回来时就意味着一切子使命都已完结或 cancel；
经过 for await ... in 能够遍历一切子使命的运转成果；

需求留意的是遍历的次序是子使命完结的次序，而非子使命添加的次序；
当 group 内部抛出过错时 (如某个子使命抛出反常)，一切未完结的子使命都将被 cancel。

如下，假如在 group 内不显式地等候一切子使命完结，会怎么？

try await withThrowingTaskGroup(of: CookingStep.self) { group in
  group.addTask {
    try await .veggies(chopVegetables())
  }
  group.addTask {
    await .meat(marinateMeat())
  }
  group.addTask {
    try await .oven(preheatOven(temperature: 350))
  }
}

group 还是会隐式的等候一切子使命完结才回来。

留意此处与 async let 的区别，如上文所述，async let 子使命会先被 cancel，再 await。

`async let` vs. Task group

async let 与 Task group 同属结构化并发范畴，在日常开发中怎么选择？

基本原则：能用 async let 就不必 Task group。

由两个版本的 makeDinner 办法能够看出：

async let 更轻量、更直观；
Task group 要求一切子使命的计算成果类型相同，往往需求多一层封装，如 makeDinner 中的 CookingStep枚举。一起，Task group 接口是基于 closure 的，也进一步导致代码变复杂。

那有什么是 Task group 能够做，而 async let 无法做到的？

首要有 2 点：

async let 创立子使命的数量是静态的，而 Task group 能够动态创立子使命；

如下，loadImages 办法为每个 url 创立一个下载图片的子使命，其数量由参数 urls 动态决定：

func loadImages(urls: [String]) async -> [Image] {
  await withTaskGroup(of: Image.self, body: { group in
    for url in urls {
      group.addTask {
        return await downloadImage(url: url)
      }
    }
    var images: [Image] = []
    for await image in group {
      images.append(image)
    }
    return images
  })
}

async let 等候子使命完结的次序是固定，无法做到按子使命完结次序取成果。

如下，无论 3 个子使命哪个先完结，咱们一定是先取得 veggiesValue，再取得 meatValue，最终获取 ovenValue。

1  func makeDinner() async throws -> Meal {
2    async let veggies = chopVegetables()
3    async let meat = marinateMeat()
4    async let oven = preheatOven(temperature: 350)
5    let veggiesValue = await veggies
6    let meatValue = await meat
7    let ovenValue = await oven
8 }

而 Task group 是以子使命完结的次序拿到成果的。

这有什么用吗？

func fastestResponse() async -> Int {
  await withTaskGroup(of: Int.self, body: { group in
    group.addTask {
      let _ = await requestFromServer1()
      return 1
    }
    group.addTask {
      let _ = await requestFromServer2()
      return 2
    }
    return await group.next()!
  })
}

如上，有两台布署了相同服务的服务器，需求确定当时哪台服务器响应速度更快。

经过 Task group 按子使命完结次序回来的特性很简略就能完结。

小结

经过上文讨论，咱们知道结构化并发有许多优势。

其间，最重要的一条是：子使命的生命周期不会超出父使命。

其使得咱们能够很简略做到：

操控一组使命，如 cancel，只要对父使命履行 cancel，其间的一切子使命都会被 cancel；

假如子使命的生命周期比父使命长，就很难做到这一点。由于在需求履行 cancel 时，父使命或许已经完毕了。
等候一组使命完结，只要等候父使命完结即可，由于父使命完结就意味着一切子使命都已完结；
合作 async/await 能够很简略地完结多组使命间的依靠。

要在传统并发模型中完结以上需求往往需大费周章。

Unstructured tasks

非结构化使命，简略讲，便是使命间没有父子关系，不存在「 Task tree 」。

经过上文咱们知道，结构化并发最重要的特性便是子使命的生命周期不会超出父使命。

而非结构化使命就不存在这个束缚。

有时只需求创立一个并发使命，或在同步上下文中为了调用异步办法而创立异步环境。

以上对错结构化使命的 2 个首要应用场景。

创立非结构化使命有 2 种办法：

Task.init
Task.detached

`Task.init`

@frozen public struct Task<Success, Failure> : Sendable where Success : Sendable, Failure : Error {}
extension Task where Failure == Error {
  public init(priority: TaskPriority? = nil, operation: @escaping @Sendable () async throws -> Success)
}

let dinnerHandle = Task {
  try await makeDinner()
}
await dinnerHandle.value
dinnerHandle.cancel()

如上，Task.init 回来一个 task 句柄 (dinnerHandle)，经过该句柄能够获取使命履行的成果，也能够撤销使命。

Context inheritance

经过 Task.init 创立的使命会从当时上下文中承继重要的元信息，如：

使命优先级；
task-local data；
actor isolation。

假如 Task.init 是在异步上下文中调用的 (意味着调用链上存在 Task)：

新创立的使命会承继当时使命的优先级；
经过拷贝的办法承继当时使命的一切 task-local data；
假如是在 actor 办法中调用 Task.init 的，则 Task closure 将成为 actor-isolated。

从上面 Task.init 定义能够知道，Task closure 是用 Sendable 修饰的。

在「Swift 新并发结构之 Sendable」中介绍过，Sendable closure 是不能捕获 actor-isolated 特点，否则报错: Actor-isolated property ‘x’ can not be referenced from a Sendable closure。

但 Task closure 是个破例，由于它本身也是 actor-isolated，所以下面的代码不会报错：
```
public actor TestActor {
  var value: Int = 0
  func testTask() {
    Task {
      value = 1
    }
 }
}
```

假如 Task.init 是在同步上下文中调用的 (调用链上没有 Task)：

运转时推断合理的优先级；

`Task.detached`

extension Task where Failure == Never {
  public static func detached(priority: TaskPriority? = nil, operation: @escaping @Sendable () async -> Success) -> Task<Success, Failure>
}

let dinnerHandle = Task.detached {
  try await makeDinner()
}

经过 Task.detached 创立的使命彻底独立于当时上下文，也便是不会承继当时上下文的优先级、task-local data 以及 actor isolation。

小结

至此，基于 Task 创立使命的四种形状悉数介绍完了。

在 Explore structured concurrency in Swift – WWDC21 中对它们有一个总结：

结构化并发能够说是一次严重前进，今后编码并发相关的代码会更加简略！

参考资料

swift-evolution/0296-async-await.md at main apple/swift-evolution GitHub

swift-evolution/0317-async-let.md at main apple/swift-evolution GitHub

swift-evolution/0302-concurrent-value-and-concurrent-closures.md at main apple/swift-evolution GitHub

swift-evolution/0337-support-incremental-migration-to-concurrency-checking.md at main apple/swift-evolution GitHub

swift-evolution/0304-structured-concurrency.md at main apple/swift-evolution GitHub

swift-evolution/0306-actors.md at main apple/swift-evolution GitHub

swift-evolution/0337-support-incremental-migration-to-concurrency-checking.md at main apple/swift-evolution GitHub

Understanding async/await in Swift • Andy Ibanez

Concurrency — The Swift Programming Language (Swift 5.6)

Connecting async/await to other Swift code | Swift by Sundell

Explore structured concurrency in Swift – WWDC21 – Videos – Apple Developer

Swift concurrency: Behind the scenes – WWDC21 – Videos – Apple Developer

Swift 新并发框架之 Task

Overview

Task

Structured concurrency

`async let`

Implicit`async let`awaiting

cancel

Task group

`async let` vs. Task group

小结

Unstructured tasks

`Task.init`

Context inheritance

`Task.detached`

小结

参考资料

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Swift 新并发框架之 Task

Overview

Task

Structured concurrency

async let

Implicitasync letawaiting

cancel

Task group

async let vs. Task group

小结

Unstructured tasks

Task.init

Context inheritance

Task.detached

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`async let`

Implicit`async let`awaiting

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`Task.init`

`Task.detached`