Swift Async 算法简介

探索 Apple 的最新开源 Swift 软件包：Swift Async 算法。我们将讨论此软件包的算法 (可搭配 AsyncSequence 使用)，包括压缩、合并和限流。和我们一起学习如何使用这些算法来构建一流的信息收发 App。我们还将分享有关结合多个 AsyncSequence，以及长时间利用 Swift 时钟类型来处理相关值的最佳实践。为能更好地理解此讲座，我们建议您先观看 WWDC21 的“认识 AsyncSequence”。

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Philippe Hausler：您好我叫 Philippe Swift 拥有越来越多的开源软件包我很高兴向您介绍最新添加的内容之一 Swift Async Algorithms 这个包和其他包一起例如 Swift Collections 和 Swift Algorithms Swift Async Algorithms 包含一组算法专门通过 AsyncSequence 按时序处理数值但在我们进入内容之前让我们花点时间回顾一下 AsyncSequence AsyncSequence 是一种协议可以让您描述通过异步过程产生的值基本上它与 Sequence 类似但有两个关键区别其迭代器的 next 函数是异步的因为它可以使用 Swift 并发功能传递值它还允许您使用 Swift 的抛出异常以便于处理任何潜在的故障并且您可以像 Sequence 一样使用 for-await-in 语法迭代它总之如果您知道如何使用 Sequence 那么您就已经知道了如何使用 AsyncSequence 现在当引入 AsyncSequence 我们在异步版本中添加了几乎所有可以用于 Sequence 的工具例如 map、filter reduce 等算法 Swift Async Algorithms 通过合并更高级的算法以及与时钟的互操作向您提供一些真正强大的功能让那些功能效果更上一层楼这是一个开源的 AsyncSequence 算法包可以增强 Swift 并发的功能去年我们推出了 Swift Algorithms 包为了演示这些算法的用途我们制作了一个消息 App 这是一个很好的例子您可以用这个包做一些丰富和强大的东西我们认为这是很好机会通过迁移 App 使用 Swift 并发为了强调一些异步算法的使用我将带您了解我们使用的一些功能以及它们是如何工作的首先我们有一系列处理多输入 AsyncSequence 的算法这些算法侧重于以不同的方式将多个 AsyncSequence 组合在一起但它们都有一个共同特点它们接受多个 AsyncSequence 输入并产生一个 AsyncSequence 输出

您可能已经非常熟悉 Zip Zip 算法接受多个输入并对其进行迭代以便通过每个基础内容生成一个结果元组 Zip 的每个输入都是构造 Zip 的基础内容在标准库中异步 Zip 算法的工作原理与 Zip 算法一样但它并发迭代每个基础内容如果在迭代其中的任何一个出现失败则重新抛出报错现在完成并发迭代并支持重抛出错误会相当复杂但是 Swift Async Algorithms 包在我们的消息 App 中为我们解决了所有这些问题我们之前有很多代码用来协同异步工作比如生成视频录制预览和视频转码以及生成各种尺寸的视频用来实现高效存储和传输通过使用 Zip 我们可以确保转码视频在发送到服务器时得到预览由于 Zip 是并发的所以转码和预览都不会对彼此的工作造成延迟但更进一步想一下 Zip 本身对任何一边都没有明显的偏向所以可以先出视频也可以出预览不管它在哪一边它都会等待另一方发送完成一个完整的元组我们可以等待视频和预览的资源配对以便它们可以一起上传因为 Zip 会同时等待双方构造的元组的值我们得出的结论是对传入消息作为 AsyncSequence 建模会很有意义所以我们决定使用 AsyncStream 来处理这些消息因为它保留了顺序并将我们的回调转换为消息的 AsyncSequence 实例我们需要解决的功能要求之一是我们希望支持多个帐户所以每个帐户都会构建一个用于传入消息的 AsyncStream 但在实现时我们需要将它们作为一个单一的 AsyncSequence 一起进行处理这意味着我们需要一种算法来将这些 AsyncSequences 合并在一起多亏 Swift Async Algorithms 包有一个算法可以做到这一点它的名字为 “Merge” 在并发迭代多个 AsyncSequences 方面它的工作方式与 Zip 类似但它不创建成对的元组它要求共享相同的元素类型并将基础 AsyncSequences 合并为这些元素的一个单独的 AsyncSequence Merge 的工作方式是在迭代时采用任何一边产生的第一个元素它不断迭代直到没有更多的值可以产生具体就是当所有基本 AsyncSequence 从其迭代器返回 nil 时如果有任何基础错误产生则会取消其他迭代器的工作这让我们可以获取多个消息的 AsyncSequence 并合并它们这些组合算法在产生值时同时进行工作但有时与时间本身实际互动是有用的 Swift Async Algorithms 包引入了一系列算法通过利用 Swift 中新的 Clock API 来处理时间时间本身可以是一个非常复杂的主题 Swift (5.7) 中新增了一组 API 以确保其安全性和一致性 Clock (时钟) 、Instant (即时) 和 Duration (持续时间)

Clock (时钟) 协议定义了两个基元一种在给定时长后唤醒的方式和一种产生现在概念的方式它含有几个内置时钟其中比较常用的两个是 ContinuousClock 和 SuspendingClock 您可以使用 ContinuousClock 像秒表一样测量时间无论被测事物的状态如何时间都在那里进行另一方面 SuspendingClock 正如它的名字一样当机器进入睡眠状态时它会挂起我们在 App 中使用了新的 Clock API 从现有的回调事件迁移到时钟睡眠功能用来处理截止日期后解除警报我们能够通过添加持续时间值来创建截止日期这个值需要特别表明我们想要的延迟秒数 Clock (时钟) 也有一些方便的方法来测量工作执行的持续时间这里我们有之前提到的两个常见的时钟 SuspendingClock 和 ContinuousClock

下面展示出的计时器是用来解释实测工作的潜在工作时间的这两个时钟之间的主要区别来自于它在机器休眠时的行为

对于此类长时间运行的工作工作可以暂停就像我们在合上盖子一样但是当我们恢复设备运行时可以看到 ContinuousClock 仍在记录时间即使在机器休眠的时候但 SuspendingClock 并没有通常这种差异对于通过暂停执行时间以确保动画之类的工作如预期方式完成很关键如果您需要与机器进行在时间方面的交互比如像动画一样请使用 SuspendingClock

判定和计量与设备前的人有关的任务使用 ContinuousClock 则更加合适因此如果您需要做一个绝对持续时间工作是相对于人类有关的话就请用 ContinuousClock Swift Async Algorithms 包使用这些新的 Clock、Instant 和 Duration 类型来构建通用算法用于许多与时间相关的事件处理方法在我们的消息 App 中我们发现这些功能确实有助于提供对事件的精确控制它让我们可以限制交互并有效的缓冲消息也许我们利用时间的最突出的领域是搜索消息我们创建了一个管理结果通道的控制器通道会整理好搜索任务的结果并返回给我们的 UI 搜索任务本身需要有一些在时间方面的特征我们希望确保在服务器上对搜索消息进行频率限制

Debounce 算法会在迭代过程中发出下一个值之前等待一个静止时间这意味着虽然事件可以很快到来但我们希望确保在处理下一个值之前有一个静默期当用户搜索时对搜索框里的文本进行快速更改我们不希望搜索控制器对每次搜索内容的修改都发送请求而是我们要确保经过一个静默期直到我们确定打字的动作很可能已经完成时默认情况下 Debounce 算法将使用 ContinuousClock 在这种情况下我们可以对输入进行去抖动处理使它等待指定的期间不发生任何事的时间段 Clock (时钟) 和 Debounce (持续时间) 不仅用于去抖动它们也用于其他算法我们发现真正有用的一个方面是向服务器发送批量消息在 Swift 算法包中有一组算法来对值进行分块 Swift Async Algorithms 包提供了这些功能而且还添加了一组与时钟和持续时间互操作的版本分块算法系列允许按计数按时间或按内容控制分块如果其中任何一个发生错误则重新抛出该报错所以我们的代码在遇到故障时是安全的我们使用 “chunked(by:)” API 来确保消息块在一定的持续时间内被序列化并发送出去这样我们的服务器就可以得到客户端发送的有效数据包我们能够使用这个 API 以每 500 毫秒的间隔来构建批量消息那样的话如果有人真的很兴奋并且打字很快那么发送到服务器的请求就会被分组在使用集合和序列时延迟处理元素通常是有用且高效的在 Swift 标准库中 AsyncSequence 与惰性算法的工作方式非常相似但就像那些惰性算法一样很多时候您需要回到集合的世界 Swift Async Algorithms 包提供了一组初始化器用于使用 AsyncSequence 构建集合这些让您可以用已知限定的 AsyncSequence 异步序列构建字典、集合或数组集合初始化器让我们将转换直接整合在消息初始化使我们仍然可以用数组作为的数据类型这真的很有用因为我们有很多功能真的可以通过一些更新来使用 Swift 并发通过保留我们现有的数据结构我们可以逐步迁移部分 App 从有意义的地方开始到目前为止我们只讨论了一小部分关于 Swift Async Algorithms 包的亮点除了我们今天介绍的还有很多其他内容我们的算法范围从组合多个异步序列按时间限制速率将事项分块但这些只是我们最终在我们的 App 中广泛使用的亮点功能这个软件包不仅只有这些它的范围包括缓冲归约、合并间歇性注入值等等 Swift Async Algorithms 包采用了一组算法来处理随时间推移的工作并将其扩展到一系列可以在您的 App 中提供帮助的高级功能试试看我们真的很希望看看您用这些构建了什么这种兴奋也是共享的该软件包面向您开放式开发感谢您的收看并享受课程的其余部分

2:01 - The messaging app

struct Account {
  var messages: AsyncStream<Message>
}  

actor AccountManager {
  var primaryAccount: Account
  var secondaryAccount: Account? 
}

protocol MessagePreview {
  func displayPreviews(_ manager: AccountManager) async }

3:16 - Zip

// upload attachments of videos and previews such that every video has a preview that are created concurrently so that neither blocks each other. 

for try await (vid, preview) in zip(videos, previews) {
  try await upload(vid, preview)
}

5:09 - Merge

// Display previews of messages from either the primary or secondary account

for try await message in merge(primaryAccount.messages, secondaryAccount.messages) {
  displayPreview(message)
}

6:37 - Suspending Clock

// Sleep until a given deadline

let clock = SuspendingClock()
var deadline = clock.now + .seconds(3)
try await clock.sleep(until: deadline)

6:56 - Suspending Clock vs. Continuous Clock

let clock = SuspendingClock()
let elapsed = await clock.measure {
  await someLongRunningWork()
}
//Elapsed time reads 00:05.40

let clock = ContinuousClock()
let elapsed = await clock.measure {
  await someLongRunningWork()
}
//Elapsed time reads 00:19.54

8:34 - Control searching messages

// Control searching messages

class SearchController {
  let searchResults = AsyncChannel<SearchResult>()

  func search<SearchValues: AsyncSequence>(_ searchValues: SearchValues) 
    where SearchValues.Element == String 
}

9:16 - Debounce

let queries = searchValues
   .debounce(for: .milliseconds(300))

for await query in queries {
  let results = try await performSearch(query)
  await channel.send(results) }

10:21 - Chunked by

let batches = outboundMessages.chunked(
  by: .repeating(every: .milliseconds(500))
)

let encoder = JSONEncoder() 
for await batch in batches {
  let data = try encoder.encode(batch)
  try await postToServer(data) 
}

11:22 - Conversions in initializers

// Create a message with awaiting attachments to be encoded
init<Attachments: AsyncSequence>(_ attachments: Attachments) async rethrows {
  self.attachments = try await Array(attachments)
}

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