任务和异步运行时

相关源文件

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• include/swift/ABI/Task.h
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• include/swift/Runtime/Concurrency.h
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• stdlib/public/Concurrency/TaskGroup.swift
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• stdlib/public/Concurrency/TaskLocal.h
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本文档描述了 Swift 的任务系统和异步运行时，它们构成了 Swift 并发模型的基础。任务是 Swift 结构化并发架构的基本单元，代表了可以创建、调度、等待和取消的异步工作。有关在此基础上构建的 Actor 的信息，请参阅Actor 和隔离。

任务基础

任务是 Swift 并发系统中的一个异步工作单元。每个任务都具有

• 唯一的标识
• 优先级级别
• 与其他任务（父子关系）的结构化关系
• 可取消的能力
• 关联的执行器，决定任务的运行位置
• 任务局部值存储

来源：[include/swift/ABI/Task.h:66-175], [include/swift/ABI/Task.h:344-536], [stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:81-127]

任务生命周期

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:193-316], [stdlib/public/Concurrency/Task.swift:197-229]

任务类型与创建

Swift 支持多种类型的任务，每种任务都有不同的行为和用例。

任务类型	创建方法	关系	继承	描述
无结构化	Task {}	独立	上下文和任务局部值	在当前 Actor 的上下文中执行
分离	Task.detached {}	无父级	无	完全独立的任务
子级	通过任务组或 async-let	有父级	优先级和任务局部值	结构化的子任务
组子级	group.addTask {}	有父任务组	优先级和任务局部值	任务组中的子任务
Async-let	async let x = expr	有父级	优先级和任务局部值	Async let 的特殊子任务

每种任务类型在创建时都带有特定的标志，这些标志决定了其继承行为以及与其他任务的关系。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.swift:585-815], [stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:678-950]

任务结构和内存管理

任务在运行时由 `AsyncTask` 类表示，该类扩展了 `Job` 类。任务可能包含额外的片段，具体取决于其类型。

任务内存通过专门的分配器进行管理，该分配器可以快速分配任务特定的内存，并在任务完成后自动释放。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:678-720], [include/swift/ABI/Task.h:344-536], [stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:497-550]

执行器和任务调度

任务由执行器执行，执行器决定任务何时何地运行。Swift 有几种类型的执行器：

1. 串行执行器：保证工作项的顺序执行
2. 全局/通用执行器：没有特定要求的任务的默认执行器
3. 主执行器：用于在主线程上运行任务的特殊执行器
4. Actor 执行器：每个 Actor 都有自己的执行器来维护隔离

任务可以调度到执行器上。

执行器负责对任务进行优先级排序，并确保它们在正确的上下文中运行。优先级较高的任务可能会先于优先级较低的任务执行。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Actor.cpp:214-361], [stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:225-315], [stdlib/public/Concurrency/PartialAsyncTask.swift:96-154]

任务优先级

Swift 任务具有优先级系统，有助于确定执行顺序。

优先级用于

1. 调度：优先级较高的任务可能会先于优先级较低的任务进行调度。
2. 防止优先级反转：当低优先级任务阻塞高优先级任务时，低优先级任务可能会被暂时提升优先级。
3. 继承：子任务继承其父任务的优先级（可能降级）。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.swift:277-382], [stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:837-910]

任务组

任务组允许管理子任务的动态集合。主要有两种类型：

1. TaskGroup：收集并返回子任务的结果。
2. ThrowingTaskGroup：与 TaskGroup 相同，但允许传播错误。
3. DiscardingTaskGroup：不收集结果，适用于“即发即弃”的操作。

任务组提供以下操作：

• 添加子任务
• 等待下一个已完成任务的结果
• 取消组中的所有任务
• 检查组是否为空

来源：[stdlib/public/Concurrency/TaskGroup.swift:65-825], [stdlib/public/Concurrency/TaskGroup.cpp:156-479], [stdlib/public/Concurrency/DiscardingTaskGroup.swift:15-84]

任务取消

任务可以被取消，这意味着它们应尽快停止执行。取消是协作性的，即任务需要检查并响应取消。

取消有几个关键属性：

• 它会自动传播到子任务。
• 它是协作性的——任务需要检查并响应取消。
• 可以使用 `withTaskCancellationHandler` 注册取消处理程序。
• 被取消的任务可能会抛出 `CancellationError` 或以其他方式处理取消。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.swift:197-229], [stdlib/public/Concurrency/TaskCancellation.swift:16-73]

任务局部值

任务局部值是隐式随任务携带并可被任务子任务访问的值。

任务局部值

• 使用 `@TaskLocal` 属性包装器定义。
• 在没有绑定值时使用默认值。
• 可以使用 `withValue` 方法绑定到新值。
• 会自动由子任务继承（但不会由分离的任务继承）。
• 可以同步或异步读取。

来源：[stdlib/public/Concurrency/TaskLocal.swift:32-144], [stdlib/public/Concurrency/TaskLocal.cpp:86-200]

Future 和等待结果

Swift 异步运行时实现了一种类似 future 的模式，其中任务可以表示一个未来的值。其他任务可以使用 `await` 关键字等待此值。

关键概念：

• 具有返回值的每个任务都实现了一个 future 机制。
• `waitFuture` 操作会挂起当前任务，直到 future 完成。
• 当 future 完成时，它会使用结果恢复所有等待的任务。
• Future 的结果可以是值或错误。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:114-197], [stdlib/public/Concurrency/Task.swift:155-195]

Continuations 和任务挂起

当任务等待异步操作时，它会挂起执行并创建一个 continuation，该 continuation 可用于稍后恢复任务。

Swift 提供了几种类型的 continuations：

• `UnsafeContinuation`：基本的 continuation，没有安全检查。
• `CheckedContinuation`：添加安全检查以检测误用。
• 用于不同场景的内部 continuation 类型（抛出/非抛出）。

来源：[stdlib/public/Concurrency/CheckedContinuation.swift:15-90], [stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:497-613]

实现细节

Swift 任务系统实现涉及 Swift 代码和底层运行时支持之间的复杂交互。

1. 任务创建：任务使用运行时中的 `swift_task_create` 创建，该函数分配内存并初始化任务结构。
2. 任务调度：任务使用作业队列调度到执行器上。
3. 任务挂起：当任务等待时，它会捕获其 continuation 点并挂起。
4. 任务恢复：当等待的操作完成时，任务会在 continuation 点恢复。
5. 任务状态记录：任务维护状态记录以跟踪子任务、取消处理程序和其他信息。
6. 任务内存管理：任务拥有自己的内存分配系统以提高效率。

该实现处理优先级继承、任务局部值传播和取消等细节，使这些功能对 Swift 开发人员来说大多是透明的。

来源：[stdlib/public/Concurrency/Task.cpp:678-950], [stdlib/public/Concurrency/TaskPrivate.h:60-109], [include/swift/Runtime/Concurrency.h:60-365]