Swift 新结构化并发中鲜为人知的 isolated 参数

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概述

伴随着 Swift 5.5（WWDC21）推出的新结构化并发到今年的 WWDC 24 已经有 3 个多年头了。想必大家都对其中 async/awiat、async let、TaskGroup、Actor 等各种概念都了然于胸了吧？

不过小伙伴们可能不知道的是：新结构化并发（或叫现代结构化并发）中还有一个“隐藏宝藏”，它就是 isolated 参数。

在本篇博文中，您将学到如下内容：

概述
1. isolated 参数（isolated parameters）简介
2. isolated parameters 的作用
3. isolated parameters 的应用场景
总结

Swift 现代结构化并发中 isolated parameters 的存在对于某些应用场景有着不可或缺的重要意义！不信？且看分晓！

Let‘s go！！！😉

1. isolated 参数（isolated parameters）简介

在 Swift 5.5 新并发模型中有一个 isolated parameters 的概念。它很好理解：isolated 其实是一个关键字，isolated 可以用在修饰方法或闭包的参数上。

空说无凭，撸码为证！

在下面的代码中我们将 isolated 关键字应用在了 run 方法的 god 参数上：

actor GodActor {}func run(_ god: isolated GodActor) {}

与此类似，isolated 关键字同样可以应用在闭包中的参数上：

actor GodActor {func handler<R>(_ action: @Sendable (_ god: isolated GodActor) throws -> R) rethrows -> R {try action(self)}
}

值得注意的是：isolated 关键字修饰的参数类型必须是一个 Actor。

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如果违反这一条，编译器就会立即毫不留情的“勃然大怒”：

‘isolated’ parameter type ‘Int’ does not conform to ‘Actor’ or ‘DistributedActor’

在了解 isolated parameters 的用法之后，满腹狐疑的小伙伴们肯定要问了：那么它到底是干嘛滴的呢？

2. isolated parameters 的作用

isolated 参数的作用非常简单：无论它被用来修饰方法或是闭包中的 Actor 参数，都意味着该方法或闭包在运行时都会限定在此 Actor 所在的上下文中。

An isolated parameter means the function runs on whatever actor is passed in.

所以任何方法或闭包都只能有一个被 isolated 修饰的 Actor 参数，否则天知道它要被用在哪个 Actor 上了。

还拿之前的 run() 方法来说，它有点像下面代码的意思：

extension MyActor {func run() { ... }
}

不过，包含 isolated 参数方法的重要意义在于：我们可以将特定 Actor 的同步上下文传递到任何方法或闭包的执行中去了。

不知小伙伴们发现了没有，上面包含 isolated 参数的 run() 或 handler() 方法本身都没有再被 async 所修饰，这是有意而为之的！因为像其它异步并发隔离（isolation）一样，它们在调用时要不要加上 await 关键字取决于当时的执行语境。

这有点像某种“隐式异步”方法。更多关于“隐式异步”方法的介绍请小伙伴们移步如下链接观赏精彩的内容：

Swift 警惕“隐式异步（implicitly asynchronous）”方法的执行陷阱

说了上面这么一大堆，可能有的小伙伴还是搞不清 isolated 参数存在的真谛吧？

别急，下面我们就用一个活灵活现的例子让大家彻底茅塞顿开！

3. isolated parameters 的应用场景

假设我们要绕过 CoreData 直接写一个 SQLite 数据库的包装器。

我们会用该包装器来执行 SQLite 数据库中的一些 SQL 命令，比如查询、插入、修改和删除等等。为了处理好数据库操作中的同步问题，我们新创建一个 Connection Actor 来排忧解难：

public actor Connection {public func execute(_ query: String) throws {//...}
}

比如，当我们想向数据库中插入对象时可以这么写：

let conn = Connection()
await conn.execute("INSERT INTO table1 VALUES ('a', 'b', 'c')")

但是，随后我们可能发现每次执行单个 SQL 语句是效率极其低下的，我们更希望能够以“原子的”方式一次性执行多条 SQL 语句。

所谓以“原子的”方式意思是：

要么所有 SQL 语句都执行成功，数据库被正确更新；
若其中有任何一条 SQL 语句出错，那么就好像所有语句都没有被执行一样——数据库保持原封不动；

这种以“原子的”执行方式称为事务（Transactions），SQLite 数据库或任何其它现代数据库都对其提供了更好的支持。我们利用这一点可以很轻松的在 Connection 中实现一个 transaction 方法来“拔刀相助”：

public actor Connection {...@discardableResultfunc transaction<R>(_ action: @Sendable (_ connection: isolated Connection) throws -> R) throws -> R {try execute("BEGIN TRANSACTION")do {let result = try action(self)try execute("COMMIT TRANSACTION")return result} catch {try execute("ROLLBACK TRANSACTION")throw error}}
}

现在，我们可以这样调用 transaction 方法来实现 SQLite 包装器对事务的支持了：

let conn = Connection()
conn.transaction { $0.execute("INSERT INTO table1 VALUES ('a', 'b', 'c')")$0.execute("INSERT INTO table2 VALUES ('d', 'e', 'f')")
}

可能眼尖的小伙伴们已经发现了：上面 transaction 方法闭包中的 connection 参数是被 isolated 关键字所修饰着的。

按照之前的解释，这说明 transaction 方法闭包会在 connection Actor 的上下文中执行，它由此引来的重要推论是：transaction 闭包中所有代码的执行都不会被打断！

这一点非常关键！

如果我们不用 isolated 来修饰 transaction 方法闭包中的 connection 参数，那么它就会是下面这个样子：

public actor Connection {...@discardableResultfunc transaction<R>(_ action: @Sendable (_ connection: Connection) async throws -> R) throws -> R {...}
}connection.transaction { await $0.execute("INSERT INTO table1 VALUES ('a', 'b', 'c')")await $0.execute("INSERT INTO table2 VALUES ('d', 'e', 'f')")
}

如上代码所示，现在 transaction 方法中的闭包必须被 async 所修饰，这带来的直接后果就是：其内部的所有 execute() 方法的调用前面都要加上 await 关键字！

回忆一下，任何用 await 关键字所修饰方法的执行都有可能被挂起！大家知道在并发执行中挂起意味着指令流可能会被打断，从而引起重入（Reentrancy）问题。

重入问题会导致隔离一致性被打破。更多关于 Actor 重入问题的讨论请小伙伴们移步如下链接观赏：

深入理解 Swift 新并发模型中 Actor 的重入（Reentrancy）问题

回到上面的例子，执行用 await 修饰的两条 execute() 方法是非常危险的！因为这可能会导致我们的事务执行到一半被挂起（suspend），如果此时相同的 Connection 对象中有另一个任务开始执行就会发生嵌套（nested）事务的错误（在调用 COMMIT TRANSACTION / ROLLBACK TRANSACTION 之前又调用了 BEGIN TRANSACTION）。

而使用 isolated 关键字则恰恰可以避免这种情况！因为这时 transaction 方法中任何与 Connection 相关方法的调用都无需用 await 修饰，从而不会发生潜在的挂起行为。

这就是 isolated parameters 存在的真谛啊！棒棒哒！

更多关于 Swift 新结构化并发中同步问题的例子，请小伙伴们到下面的博文中观赏精彩的内容：