理解Swift 6的并发模型：任务、执行优先级以及超越抢占式调度

Swift 6 从根本上重塑了开发者对并发编程的理解。它不再依赖传统的抢占式调度机制，而是引入了一种合作式执行模型，配合智能任务管理。本文将详细解析为何这种范式转变是必要的，它在运行时是如何工作的，以及为何对构建响应迅速、安全的应用程序至关重要。

并发问题：为什么 Swift 需要一种新方法

并发编程仍然是软件开发中最棘手的挑战之一。当多个任务同时运行时，应用程序的性能和响应能力得到提升，但开发者也面临一系列潜在问题：竞态条件、死锁以及线程安全违规，这些问题常常困扰着生产环境中的代码。

Swift Concurrency 在 Swift 6 中首次亮相，采用了不同于操作系统传统抢占式调度的理念。它不让操作系统在任何时刻随意中断任务，而是在运行时强制执行合作控制点，在这些点上自然发生挂起。

解决的核心问题包括：

• 竞态条件：多个线程同时访问共享可变数据，导致不可预测的结果。新模型通过明确的所有权和安全访问模式来解决这一问题。
• 回调复杂性：嵌套的完成处理器使代码难以理解。async/await 语法显著简化了这种认知负担。
• 线程开销：管理操作系统级线程涉及昂贵的上下文切换和资源分配。Swift 的方法完全抽象了这一点。
• 任务协调：结构化并发提供了明确的层级关系，使任务取消和错误处理变得简单。

通过结合 async/await、Actors 和结构化并发模式，Swift 6 提供了更安全、更直观的并发模型，同时不牺牲性能。

多任务模型：抢占式调度与合作式执行

理解 Swift 的设计，关键在于了解执行模型的差异。操作系统和传统的基于线程的运行时使用抢占式调度——这与 Swift 的合作式方法形成鲜明对比。

抢占式调度模型

传统操作系统采用抢占式调度，操作系统内核可以在任何时刻强制中断任何线程。这种上下文切换发生在没有线程知情或合作的情况下。系统会保存线程的状态 (CPU寄存器、指令指针、堆栈内容)，切换到另一个线程，稍后再恢复原线程的状态以继续工作。

抢占式调度的优点：

• 保证公平性——没有单个线程会饿死其他线程
• 实现多核 CPU 上的真正并行
• 保护系统免受行为不端的线程垄断资源

成本： 抢占式调度带来显著的开销。上下文切换会刷新 CPU 缓存、使转换缓冲失效，并在用户模式和内核模式之间切换。每次切换都消耗可衡量的 CPU 周期。更关键的是，不可预测的中断点迫使开发者用同步原语（如互斥锁、信号量、原子操作）封装共享可变状态。错过任何同步点都可能导致数据竞争、崩溃或难以重现和测试的间歇性错误。

这完全由开发者承担。在抢占式环境中构建线程安全的代码需要持续警惕和深厚的并发知识，使得这类代码容易出错且难以理解。

Swift 的合作式执行模型

Swift 6 颠覆了这一做法。它不依赖操作系统的抢占式调度，而是在明确的点——通常在 await 表达式或通过 Task.yield()——显式让出控制权。运行时绝不强制中断任务。

这种合作策略带来了显著的好处：

• 可预测性：挂起点在代码中明确可见。开发者清楚上下文切换发生的具体位置。
• 更低的开销：没有昂贵的上下文切换。运行时只需调用下一个排队的继续体（continuation），这是一个轻量级操作。
• 更安全的并发：通过受控的挂起点，竞态条件大大减少。编译器强制执行 Sendable 规范，防止在任务边界之间共享不安全的数据。

然而，合作也意味着责任。如果任务在没有挂起的情况下运行，它会垄断其执行器线程，导致其他任务饿死。长时间运行的操作必须包含显式的 Task.yield() 调用，才能在合作系统中“做个好公民”。

内部机制：续体（Continuations），而非线程

Swift 的运行时对执行的处理不同于传统的线程。当异步函数在 await 点挂起时：

1. 编译器将函数转换为状态机，捕获其执行上下文 (局部变量、指令指针)，存储到堆分配的续体中。
2. 这个续体不是阻塞线程，而是被加入队列等待后续执行。
3. 执行器线程——而非等待——从队列中取出下一个准备好的续体。
4. 当等待的操作完成后，挂起的续体会被重新加入队列，最终恢复执行。

这种基于续体的模型消除了对线程堆栈和操作系统上下文切换的需求。权衡在于：存储挂起的异步状态会占用更多堆内存，但任务切换的开销大大降低。对于 I/O 密集型工作负载——任务大部分时间在等待而非计算——这种交换非常适合合作模型。

任务：Swift 的并发工作单元

在 Swift 并发中，任务（Task）封装了一个异步工作单元。与简单调用异步函数不同，任务是一个托管对象，在合作式线程池中与其他任务共同运行。

创建和管理任务

标准的初始化器会立即启动一个任务：