Swift Concurrency入門

by Sato Takeshi

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Swift Concurrency 入門 2022 年 2 月 22 日集まれ Swift 好き！ Swift 愛好会 vol.65 @ オンライン

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Who am I ● Name ● 佐藤タケシ ( さとうたけし ) ● Company ● Merpay, Inc.(2019/01 ~) ● Role ● Software Engineer (iOS) ● Account ● Twitter: @hatakenokakashi ● Facebook: 佐藤剛士 ● GitHub: SatoTakeshiX

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● 一冊で Swift Concurrency の概要を理解ことを目指して書いています ● まだ執筆中 ● Swift Concurrency は新しい概念が盛りだくさん ● 覚えればあなたの開発がより安全に、簡単に実装できるようになる「Swift Concurrency入門」で技術書典で販売予定

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Swift Concurrency ● Swift 5.5 から導入 ● Xcode 13 から利用可能 ● 非同期処理が簡潔、安全に ● async/await が Swift にやってきた！

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コールバックによる非同期処理の欠点

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ネストが深くなる

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コールバックの呼び忘れ

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コールバックの呼び忘れコールバックを呼ばないで returnしている

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呼び出し元で不具合発生コールバックが呼ばれないので、エラーが起きているのに、ローディングビューがずっと出しっぱなしになるかもしれない

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async/awaitで解決

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async/awaitで非同期処理 ● async で非同期関数を定義

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async/awaitで非同期処理 ● 呼び出し元

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非同期関数 ● async がつけられた関数・メソッド ● プログラムを待機、再開させる ● 通常のコードと同じように記述ができる ○ 呼び出し元で、変数の代入や try-catch によるエラーハンドリング ○ 戻り値を定義できるのでコールバックのよう呼び忘れがない。コンパイルのチェックが入る ● スレッドは CPU のコア数分用意される ○ システムが管理し、開発者が直接触ることはない

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awaitでプログラムが待機する

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awaitでプログラムが待機する

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awaitでプログラムが待機する

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順次実行の実装の違い

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順次実行をする by 同期関数ネストが深くなる

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順次実行をする by 非同期関数

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並列実行の実装の違い

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並列実行をする by 同期関数

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並列実行をする by 非同期関数

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データ競合を防ぐ新しい型 Actor

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データ競合（Data Race）とは？ ● 複数のスレッドがデータに同時にアクセスしたためにデータが不正になる状況 ○ スレッドの少なくとも一つが値を書き込む値スレッド 1 スレッド 2

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データ競合（Data Race）

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データ競合（Data Race） playgroundで実行すると 110,110が出力される場合がある

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actorの特徴 ● 新しい型の種類 ● 参照型 ● インスタンスに外からアクセスは同時にひとつのみに限定される ○ Actor 隔離（ Actor isolated) と呼ぶ ○ data race を防ぐ ● 外からアクセスする場合は await が必要 ● イニシャライザー、プロパティ、メソッド定義、プロトコル適応など class, struct, enum を同じ特徴をもつ

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actorでデータ競合を防ぐ

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actorでデータ競合を防ぐ必ず100, 110が順不同で出力される -> データ競合がなくなる

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actorで競合状態（Race Condition）は防げない ● 競合状態 (Race Condition) マルチスレッドにおける典型的な不具合の一つ ● プログラミングの実行結果が各スレッドの実行順に依存する状態 ○ 同じ入力を与えても異なるデータを出力する状態

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actorで競合状態（Race Condition）は防げない

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actorで競合状態（Race Condition）は防げない

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actorで競合状態（Race Condition）は防げない 1. ③、④が同時に呼び出す 2. キャッシュはまだない 3. ③が①に到達。待機 4. ④が①に到達。待機 5. ③が再開。👾を返す。 6. ③が②に到達。 return する 7. ④が再開。🎃を返す。 8. ④が②に到達。 return する 9. ③、④同じ URL なのに違うコンテンツが返される＝＞競合状態

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競合状態（Race Condition）の修正 ● await の後でプロパティのチェックする ● Protect mutable state with Swift actorsに Task を使った例もあり

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MainActor ● メインスレッドで実行される特別な Actor ● Global Actor の一種 ○ むしろメインスレッドのために Global Actor が提案された ○ 共有の actor インスタンスを通して Actor 分離がされる ● @MainActor で型全部、プロパティのみ、メソッドのみなど適応できる

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MainActorの適応方法 ● MainActor の適応手順をコードで示す

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Task

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Task ● 並行処理の基本単位。すべての非同期関数は Task を通して実行される ● 各 Task を Task Tree とよばれる親子関係を構築する ● Task Tree のおかげでキャンセルや優先度をシンプルにハンドリング可能 ○ 従来の方法だとあるスレッドの処理がキャンセルされた場合に他のスレッドの処理に伝播させるのが難しかった

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Task Tree ● ①一番下位のタスクがすべて終わると上位のタスクが始まる ● ②子タスクが終わると親タスクに伝播 ● ③親タスクが実行

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Task Tree ● ①がエラー -> 兄弟タスクはキャンセル② ● 上位のタスク③がキャンセル。兄弟タスク④もキャンセル ● ④の下位タスク⑤ もキャンセル ● ⑥親タスクに①のエラー伝播

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async letバインディングとTask Tree

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async letバインディングとTask Tree 親タスク子タスク子タスク

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同期関数から非同期関数を呼ぶ方法 Task イニシャライザー ● 非同期コンテキストを提供 ● 同期関数内から非同期関数を呼べる ● コールバックはすぐに呼ばれる ● 返り値の Task インスタンスからマニュアルでキャンセルできる ● 親タスクの優先度や actor, タスクローカル値を引き継ぐ Task.detached ● 非同期コンテキストを提供 ● 同期関数内から非同期関数を呼べる ● コールバックはすぐに呼ばれる ● 返り値の Task インスタンスからマニュアルでキャンセルできる ● 親タスクの優先度や actor, タスクローカル値を引き継がない

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TaskイニシャライザーとTask.detached ● Task.detached は MainActor を引き継がない -> ログ送信などメインスレッドで不要な処理に向く ● Task は MainActor を引き継ぐ -> メインスレッドで実行

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マニュアルキャンセル ● Task のイニシャライザーを保持しておけば、キャンセルが必要なときに cancel メソッドでキャンセルできる

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キャンセルのハンドリング ● checkCancellation: Task がキャンセルされている場合に CancellationError を返す ○ キャンセルを呼び出し元に伝える ● isCancelled: キャンセルかどうか Bool 値で判断 ○ キャンセル時追加処理が可能独自の追加処理

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iOS 13, 14で非同期関数を使う

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XcodeのリリースとSwift Concurrency対応状況 ● Xcode 13 ○ 2021 年 9 月 21 日リリース ○ Swift Concurrency 機能は iOS 15 のみ ● Xcode 13.2 ○ 2021 年 12 月 13 日リリース ○ Swift Concurrency 機能が iOS 13, 14 にもバックポートされた ○ ただし Swift パッケージがビルドできない不具合が見つかる ● Xcode 13.2.1 ○ 2021 年 12 月 17 日リリース ○ Swift パッケージの不具合を修正

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iOS 13, 14で非同期関数を使う ● 言語機能としての Swift Concurrency 機能は使える ● Foundation での非同期関数は iOS 15 以上 ○ URLSession の data メソッドなど ● withCheckedThrowingContinuation と withCheckedContinuation で既存のコールバック関数を非同期関数にラップができる ● アプリサポートバージョンが iOS 15 が下限になるまではラップした関数を呼び出す

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withCheckedContinuation ● エラーをスローするしないコールバック関数を非同期関数にラップする ● クロージャー内でラップする関数を呼ぶ ● ラップする関数のコールバック内で continuation は確実に一回 resume メソッドを呼び出す ○ 呼び出さないのはだめ ○ ２回以上呼び出すのもだめ

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withCheckedContinuation ●

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withCheckedThrowingContinuation ● エラーをスローするコールバック関数を非同期関数にラップする ● クロージャー内でラップする関数を呼ぶ ● ラップする関数のコールバック内で continuation は確実に一回 resume メソッドを呼び出す ● resume(returning:) メソッド ○ ラップした関数の戻り値を引数にする ● resume(with: ） ○ Result 型で返す ● continuation.resume(throwing:) ○ エラー型で返す

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withCheckedThrowingContinuation ●

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まとめ

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まとめ ● async/await で非同期処理を同期関数のように記述できるようになった ● それによって読みやすさが向上し、コールバックの呼び忘れなどのミスを防げるようになった ● マルチスレッドでよくある不具合、データ競合を防ぐ新しい型、 actor が登場した ○ ただし、競合状態はまだ防げない ● 非同期処理は Task という単位で行われる ● iOS 13, 14 でも Swift Concurrency は使える

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参考資料 ● Race condition vs. Data Race: the differences explained ● データ競合 (data race) と競合状態 (race condition) を混同しない ● Protect mutable state with Swift actors ● https://github.com/apple/swift-evolution/blob/main/proposals/0316-glo bal-actors.md ● Explore structured concurrency in Swift ● Meet async/await in Swift