فهم نموذج التزامن في Swift 6: المهام، أولويات التنفيذ، والتجاوز عن الجدولة المسبقة

سويفت 6 يعيد تشكيل كيفية تعامل المطورين مع البرمجة المتزامنة بشكل جذري. بدلاً من الاعتماد على آليات الجدولة التقليدية المسبقة، يقدم إطار العمل الجديد من آبل نموذج تنفيذ تعاوني مصحوبًا بإدارة ذكية للمهام. يوضح هذا الدليل الشامل ما الذي يجعل هذا التحول في النموذج ضروريًا، وكيف يعمل في وقت التشغيل، ولماذا يهم لبناء تطبيقات استجابية وآمنة.

مشكلة التزامن: لماذا كانت سويفت بحاجة إلى نهج جديد

لا تزال البرمجة المتزامنة واحدة من أصعب تحديات تطوير البرمجيات. عندما تعمل مهام متعددة في وقت واحد، تكتسب التطبيقات أداءً واستجابةً، لكن المطورين يواجهون حقل ألغام من المشكلات المحتملة: حالات السباق، حالات الانتظار المميتة، وانتهاكات أمان الخيوط التي تفسد الشفرة الإنتاجية.

تتعامل تزامن سويفت، الذي ظهر في سويفت 6، مع هذه المشكلات مباشرةً بفلسفة مختلفة عن الجدولة المسبقة التقليدية التي تستخدمها أنظمة التشغيل. بدلاً من السماح لنظام التشغيل بمقاطعة المهام عشوائيًا في أي لحظة، يفرض وقت تشغيل سويفت نقاط تحكم تعاونية حيث يحدث التوقف بشكل طبيعي.

المشكلات الأساسية التي يتم معالجتها:

• حالات السباق: وصول خيوط متعددة إلى بيانات مشتركة قابلة للتغيير في وقت واحد يخلق نتائج غير متوقعة. يفرض النموذج الجديد ملكية واضحة وأنماط وصول آمنة.
• تعقيد الاستدعاءات: تجعل المعالجات المكتملة المتداخلة الشفرة صعبة المتابعة. يخفف بناء الجملة async/await هذا الحمل المعرفي بشكل كبير.
• عبء الخيوط: إدارة خيوط مستوى نظام التشغيل تتطلب تبديلات سياق مكلفة وتخصيص موارد. يتجاهل نهج سويفت هذا تمامًا.
• تنسيق المهام: يوفر التزامن الهيكلي هياكل واضحة، مما يجعل إلغاء المهام ومعالجة الأخطاء بسيطًا.

من خلال الجمع بين async/await، Actors، وأنماط التزامن الهيكلية، تقدم سويفت 6 نموذج تزامن أكثر أمانًا وبديهية دون التضحية بالأداء.

نماذج تعدد المهام: الجدولة المسبقة مقابل التنفيذ التعاوني

لفهم تصميم سويفت، من الضروري فهم كيف تختلف نماذج التنفيذ. تستخدم أنظمة التشغيل وبيئات التشغيل التقليدية التي تعتمد على الخيوط الجدولة المسبقة — وهي استراتيجية تتناقض بشكل حاد مع النهج التعاوني لسويفت.

نموذج الجدولة المسبقة

تستخدم أنظمة التشغيل التقليدية الجدولة المسبقة، حيث يمكن لنواة النظام أن تقاطع أي خيط بشكل قسري في أي نقطة من التنفيذ تقريبًا. يحدث هذا التبديل للسياق دون علم أو تعاون من الخيط. يحفظ النظام حالة الخيط (سجلات المعالج، مؤشرات التعليمات، محتويات المكدس)، ثم ينتقل إلى خيط آخر، ويستعيد لاحقًا حالة الخيط الأصلي لمتابعة العمل.

مزايا الجدولة المسبقة:

• تضمن العدالة — لا يمكن لخيط واحد أن يجوع الآخرين
• تتيح التوازي الحقيقي عبر نوى المعالج المتعددة
• تحمي النظام من خيوط تتصرف بشكل سيء وتحتكر الموارد

التكلفة: تخلق الجدولة المسبقة عبء عمل كبير. تفرغ تبديلات السياق ذاكرات التخزين المؤقت للمعالج، وتلغي جداول الترجمة، وتنتقل بين وضع المستخدم والنواة. كل تبديل يستهلك دورات CPU قابلة للقياس. والأهم من ذلك، أن نقاط المقاطعة غير المتوقعة تجبر المطورين على تغليف الحالة المشتركة القابلة للتغيير في أدوات تزامن — مثل الأقفال، والسمات، والعمليات الذرية. فقدان حتى نقطة تزامن واحدة يؤدي إلى حالات سباق، أو أعطال، أو أخطاء متقطعة يصعب تكرارها واختبارها.

هذا العبء يقع بالكامل على عاتق المطور. يتطلب بناء شفرة آمنة للخيوط في بيئة مسبقة الجدولة يقظة مستمرة وخبرة عميقة في التزامن، مما يجعل الشفرة عرضة للأخطاء وصعبة الفهم.

نموذج التنفيذ التعاوني في سويفت

يعكس سويفت 6 هذا النهج. بدلاً من الجدولة المسبقة التي يفرضها نظام التشغيل، تُعطى المهام نقاط تسليم واضحة — عادةً عند تعبيرات await أو عبر Task.yield(). لا يقاطع وقت التشغيل مهمة بشكل قسري.

تقدم هذه الاستراتيجية التعاونية فوائد ملحوظة:

• التوقعية: نقاط التوقف واضحة ومرئية في الشفرة. يعرف المطورون بالضبط أين تحدث تغييرات السياق.
• انخفاض العبء: لا توجد تبديلات سياق مكلفة. ببساطة، يستدعي وقت التشغيل الاستمرارية التالية المكدسة — وهو عملية خفيفة.
• تزامن أكثر أمانًا: مع نقاط التوقف المُتحكم فيها، تصبح حالات السباق أقل احتمالًا. يفرض المترجم الامتثال لـ Sendable لمنع مشاركة البيانات غير الآمنة عبر حدود المهام.

ومع ذلك، يتطلب التعاون مسؤولية. إذا استمرت مهمة في العمل دون أن تتوقف، فإنها تحتكر خيط المنفذ الخاص بها، مما يسبب جوع المهام الأخرى. يجب أن تتضمن العمليات طويلة المدى استدعاءات Task.yield() صريحة لتظل “مواطنين صالحين” في النظام التعاوني.

تحت الغطاء: الاستمراريات، وليس الخيوط

يعامل وقت تشغيل سويفت التنفيذ بشكل مختلف عن الخيوط التقليدية. عندما يتوقف وظيفة غير متزامنة عند نقطة await:

1. يحول المترجم الوظيفة إلى آلة حالة، ويحتفظ بسياق التنفيذ الخاص بها (المتغيرات المحلية، مؤشر التعليمات) في استمرارية مخصصة على الكومة.
2. بدلاً من حجز خيط، يتم إدراج هذه الاستمرارية في قائمة انتظار للتنفيذ لاحقًا.
3. يختار خيط المنفذ — بدلاً من الانتظار — الاستمرارية التالية الجاهزة من قائمة الانتظار الخاصة به.
4. عندما تكتمل العملية المنتظرة، يتم إعادة إدراج الاستمرارية المعلقة وتستأنف في النهاية.

يلغي هذا النموذج القائم على الاستمرارية الحاجة إلى أكوام الخيوط وتبديلات سياق نظام التشغيل. المقايضة: استخدام أعلى قليلاً لذاكرة الكومة لتخزين الحالة غير المتزامنة المعلقة، ولكن مع انخفاض كبير في عبء تبديل المهام. بالنسبة للأعباء التي تعتمد على الإدخال/الإخراج — حيث تقضي المهام معظم وقتها في الانتظار بدلاً من الحساب — يفضل هذا التبادل بشكل كبير النموذج التعاوني.

المهمة: وحدة العمل المتزامن في سويفت

في تزامن سويفت، تُغلف المهمة وحدة عمل غير متزامنة. على عكس مجرد استدعاء وظيفة غير متزامنة، فإن المهمة كائن مُدار يعمل في مجموعة خيوط تعاونية جنبًا إلى جنب مع مهام أخرى.

إنشاء وإدارة المهام

يبدأ المُهيئ القياسي مهمة على الفور: