Swift Actor

https://www.hackingwithswift.com/quick-start/concurrency/what-is-an-actor-and-why-does-swift-have-them

Swift 在 5.5 中引入了 Actor。这是一种全新的并发编程模型工具，专为解决多线程环境中可能发生的数据竞争（Data Race）问题而设计。Actor 将共享的、可变的状态封装起来，并确保对其状态的访问是线程安全的，有助于开发者从繁琐的锁管理中解放出来。

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1. 什么是 Actor？

Actor 是一种引用类型（Reference Type），与类（Class）类似，但与类不同，Actor 自带线程安全性。
它通过一种称为 “Actor 隔离”（Actor Isolation） 的机制，确保内部状态（属性等）在多线程的环境中只能被一个任务（例如函数调用或属性访问）修改或读取，从而杜绝了并发访问引发的数据竞争问题。

同时，Actor 使用一种任务队列（Task Queue），所有针对 Actor 的操作都会被添加到它内部的任务队列中，并以串行的方式按顺序处理，因此即便有多个并发任务试图访问同一个 Actor，只有一个任务会被执行，其他任务需要依次排队。

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2. 为什么需要 Actor？

Swift 中的并发编程在多线程环境下可能面临严重的“数据竞争”问题：

• 当多个线程同时访问（特别是修改）某些共享资源时，可能导致意想不到的行为（如部分数据被覆盖或丢失）。
• 为了防止这种问题，传统的做法是使用线程锁（如 DispatchQueue、NSLock 等）来手动管理访问顺序，但这会导致代码复杂、难以维护，甚至还可能引入死锁等错误。

Actor 的出现解决了这一问题：

• 自动保证线程安全，避免手动加锁的复杂性。
• 通过“异步访问”+“顺序任务调度”机制，防止多线程对同一状态的并发访问。

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3. Actor 的特性

（1）线程安全（Thread Safety）

• Actor 的内部状态默认是线程安全的，只能通过 Actor 自己提供的方法来访问或修改状态。
• Actor 内置的线程隔离机制确保状态在不需要手动写锁的情况下安全更新。

（2）任务串行化

• Actor 内部会自动序列化任务的执行，即使有多个线程调用 Actor 的函数或操作其属性，这些任务也会按顺序一个接一个执行。
• 这种串行化的任务调度机制，是 Actor 内部实现线程安全的核心。

（3）异步访问（Async Access）

• 与 Actor 交互时，大部分操作需要使用 await（即异步访问），来确保操作任务被串行化处理。
• Actor 的方法默认是异步的。这种异步访问虽然可能看起来稍复杂，但它换来了线程安全的代码。

（4）与类类似，但更安全

• 定义 Actor 和定义类类似，只需要使用 actor 关键字替代 class。
• Actor 提供线程安全与并发保护，但与类一样支持继承和引用计数（ARC）。

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4. Actor 的适用场景

Actor 非常适合用在并发环境中，特别是以下情况：

• 共享资源的保护：Actor 能保证多个线程对共享资源（如计数器、缓存、数据存储等）的安全访问。
• 高并发任务调度：当程序存在复杂的异步操作时，Actor 提供了更优雅的并发模型。
• 需要异步接口的程序：当你在使用 Swift 的 async/await 新特性时，Actor 能无缝协作，简化异步任务管理。
• 有严格线程安全需求的项目：通过 Actor，可以确保状态在任何时刻仅由一个线程修改，杜绝数据竞争。

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5. 如何定义和使用 Actor

Actor 的定义和使用类似于类，使用 actor 关键字就可以创建一个 Actor。
以下是一个简单例子：

swift
复制
actor Counter {
    private var value = 0
    
    func increment() {
        value += 1
    }
    
    func getValue() -> Int {
        value
    }
}

// 异步调用 Actor 示例
let counter = Counter()
Task {
    await counter.increment()
    print(await counter.getValue())
}

代码解读：

1. actor Counter：通过 actor 声明一个名为 Counter 的 Actor，用于记录计数器的值。
2. private var value = 0：私有属性 value 封装在 Actor 内，线程安全。
3. increment 和 getValue 方法：提供线程安全的接口操作 value。
4. 外部调用：使用 await 来异步调用 Actor 的方法，确保线程安全及任务串行化。

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6. Actor 的优势

1. 内置线程安全：Actor 自带线程隔离和任务序列化，不需要手动使用锁或队列，极大地减少了编写同步代码的复杂性。
2. 简化的并发模型：通过 async/await、Task 等新特性结合 Actor，能以更直观的方式管理并发任务。
3. 防止数据竞争：Actor 内部状态的访问是独占的，同一时间只有一个任务可以操作，从源头杜绝数据竞争。
4. 增强代码可读性和安全性：Actor 的特性使开发者关注于业务逻辑，而无需纠结并发机制。

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7. Actor 的限制（局限）

1. 默认异步访问

   • Actor 的方法或属性需要使用 await 进行访问或调用，这可能增加代码编写和调用的复杂性。

2. 潜在的性能开销

   • Actor 为了实现线程安全，内部有任务队列和调度机制，相较于普通类会有额外的性能开销。
   • 如果没有并发任务需求，直接使用普通类可能更高效。

3. 兼容性问题

   • 将现有的类迁移到 Actor 中，可能需要调整较多代码。

4. Actor 的线程安全是有限的

   • Actor 只对其自身的内部状态提供线程安全保护。如果有其他全局变量仍在多线程环境中共享，依旧需要额外的保护措施。

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8. Actor 在 Swift 并发模型中的角色

Actor 是 Swift 并发模型中重要的组成部分，与 async/await 和 Task 协同工作。它通过提供一种简单直观的线程安全方式，解决了传统锁和队列带来的复杂性，让开发者以更高效、更安全的方式实现并发编程。

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总结

Actor 的引入重新定义了 Swift 的并发编程规范，是一种专注于线程安全、高效开发的工具。通过内置的任务串行化和线程隔离机制，它大幅度降低了编写并发代码的复杂性，杜绝了数据竞争问题，是并发环境下管理共享资源或处理异步任务的理想选择。然而，它需要异步调用，且有一定性能开销，因此在使用时需要视具体场景权衡其适用性。

Reentrant 是什么（可重入的）

“Reentrant” 是一个术语，常用于计算机科学和编程领域，特别是在多线程编程和并发编程中。它的基本含义是指一个函数或程序可以被中断并安全地再进入，而不会影响其执行结果。

具体来说，reentrant 函数具有以下几个特点：

1. 无状态性：reentrant 函数不会依赖于任何静态或全局变量，或者如果必须依赖这些变量，它们的访问必须是线程安全的。这意味着这个函数的每次调用都是独立的。

2. 没有副作用：函数在执行时不会改变外部的状态或变量。这使得在多线程环境中调用这个函数不会影响其他线程的执行。

3. 可重入：如果一个线程在执行这个函数时被中断（例如，发生了上下文切换），然后另一个线程又调用同样的函数，第二个线程的调用不会影响第一个线程的执行。

举个例子，一个简单的数学计算函数（如计算平方）通常是 reentrant的，因为它只依赖于输入参数，并且不会改变全局状态。然而，如果一个函数维护了一个全局计数器，并且在每次调用时都对其进行了修改，那么这个函数就是非 reentrant 的，因为多个线程可能会同时尝试修改这个共享状态，导致不可预期的行为。

在设计并发程序时，使用 reentrant 函数是一个重要的考虑点，可以帮助避免数据竞争和其他并发相关的问题。