理解 Swift 6 的並發模型：任務、執行優先級，以及超越預先調度的邁進

Swift 6 從根本上重塑了開發者處理並發編程的方式。它不再依賴傳統的搶占式調度機制，而是引入了一個合作式執行模型，配合智能任務管理。這份全面指南將解析為何這種範式轉變是必要的、它在運行時的運作方式，以及為何它對構建響應迅速、安全的應用程式至關重要。

並發問題：為何 Swift 需要新方法

並發編程仍然是軟體開發中最棘手的挑戰之一。當多個任務同時運行時，應用程式的性能和響應性得以提升，但開發者也面臨著潛在問題的雷區：競爭條件、死鎖，以及在生產代碼中常見的線程安全違規。

Swift Concurrency 在 Swift 6 中首次亮相，採用與傳統搶占式調度不同的哲學來解決這些問題。它不允許作業系統在任何時刻任意中斷任務，而是由 Swift 的運行時在特定的合作控制點進行自然的暫停。

主要解決的問題包括：

• 競爭條件：多個線程同時存取共享可變資料，導致不可預測的結果。新模型強制實施明確的所有權和安全存取模式。
• 回調複雜性：巢狀的完成處理器使得程式碼難以追蹤。async/await 語法大幅降低了這種認知負擔。
• 線程開銷：管理作業系統層級的線程涉及昂貴的上下文切換和資源配置。Swift 的方法完全抽象化了這一點。
• 任務協調：結構化並發提供明確的層級結構，使任務取消和錯誤處理變得更為簡單。

透過結合 async/await、Actors 和結構化並發模式，Swift 6 提供了一個更安全、更直觀的並發模型，同時不犧牲性能。

多工模型：搶占式調度與合作式執行

為了理解 Swift 的設計理念，必須了解不同的執行模型如何分歧。作業系統和傳統的線程基礎運行時使用搶占式調度——這與 Swift 的合作式方法形成鮮明對比。

搶占式調度模型

傳統的作業系統採用搶占式調度，內核可以在任何執行點強制中斷任何線程。這種上下文切換在線程不知情或未合作的情況下發生。系統會保存線程的狀態 (CPU暫存器、指令指標、堆疊內容)，然後切換到另一個線程，稍後再恢復原線程的狀態以繼續工作。

搶占式調度的優點：

• 保證公平性——沒有單一線程能使其他線程長時間等待
• 支援多核 CPU 的真正平行運算
• 防止不良線程獨佔資源

成本： 搶占式調度帶來大量開銷。上下文切換會刷新 CPU 快取、使轉譯旁路緩衝失效，並在用戶模式與核心模式之間切換。每次切換都會消耗可測量的 CPU 時鐘週期。更重要的是，不可預測的中斷點迫使開發者用同步原語（如互斥鎖、信號量、原子操作）包裝共享資料。漏掉任何同步點都可能導致資料競爭、崩潰或間歇性錯誤，這些錯誤難以重現和測試。

這個負擔完全落在開發者身上。在搶占式環境中建立線程安全的程式碼需要持續警覺和深厚的並發專業知識，錯誤率高且難以理解。

Swift 的合作式執行模型

Swift 6 顛倒了這個做法。它不再由作業系統強制搶占任務，而是讓任務在明確定義的點——通常在 await 表達式或通過 Task.yield()——自願讓出控制權。運行時永遠不會強制中斷任務。

這種合作策略帶來顯著好處：

• 可預測性：暫停點在程式碼中明確且可見。開發者清楚知道何處會發生上下文切換。
• 較低開銷：沒有昂貴的上下文切換。運行時只需調用下一個排隊的延續——這是一個輕量級操作。
• 更安全的並發：有控制的暫停點使競爭條件大大降低。編譯器強制實施 Sendable 相容性，以防止任務邊界之間的資料不安全共享。

然而，合作也意味著責任。如果任務在未暫停的情況下持續運行，它會壟斷其執行器線程，導致其他任務被飢餓。長時間運行的操作必須包含明確的 Task.yield() 呼叫，以在合作系統中保持“良好公民”。

在底層：續延（Continuations），而非線程

Swift 的運行時將執行方式與傳統線程不同。當一個 async 函數在 await 點暫停時：

1. 編譯器將該函數轉換為狀態機，捕捉其執行上下文 (局部變數、指令指標)，並存入堆上分配的續延。
2. 這個續延不是阻塞線程，而是被加入佇列等待後續執行。
3. 執行器線程——而非等待——從佇列中取出下一個就緒的續延。
4. 當等待的操作完成，暫停的續延會被重新加入佇列，最終恢復執行。

這種基於續延的模型消除了對線程堆疊和作業系統上下文切換的需求。折衷是：存儲暫停的 async 狀態會佔用較多的堆記憶體，但大幅降低任務切換的開銷。對於 I/O 密集型工作負載——任務大部分時間在等待而非計算——這種交換非常適合合作模型。

任務：Swift 的並發工作單元

在 Swift 並發中，任務（Task）封裝了一個異步工作單元。與僅調用 async 函數不同，任務是一個受管理的對象，與其他任務一起在合作式線程池中運行。

創建與管理任務

標準的初始化器會立即啟動一個任務：