Actor — データ分離と並行処理とは

SwiftにおけるActorとは

Actorは参照型であり、クラスに似ていますが、データ競合に対する自動保護機能を備えています。Swift 5.5でasync/awaitやTaskとともに並行処理システムの一部として導入されました。Actorは、明示的な同期なしに異なるスレッドからその可変状態が同時に読み書きされることが決してないことを保証します。

Actorの宣言構文

Actorを宣言するには、actorキーワードを使用し、その後にメンバーを持つ中括弧を続けます。構文的にはactorはクラスに似ていますが、その動作は根本的に異なります。

actor BankAccount {
    private var balance: Double
    
    init(initialBalance: Double) {
        self.balance = initialBalance
    }
    
    func deposit(amount: Double) {
        balance += amount
    }
    
    func getBalance() -> Double {
        return balance
    }
}

コンパイラはすべてのactorのプロパティとメソッドを自動的に隔離し、actorコンテキスト内でのみアクセス可能にします。actorの外部からbalanceにアクセスしようとすると、呼び出しがasyncとしてマークされていない場合、コンパイラはエラーを生成します。

Actorでのデータ隔離の仕組み

データ隔離はactorの重要な概念です。Actorはactor実行メカニズムを通じて、その状態への相互排他的アクセスを保証します。各actorには独自の実行基盤があり、隔離されたメンバーへのすべてのアクセスを順次処理します。

隔離の仕組み

actor外部のコードがそのメソッドを呼び出すと、呼び出しはactor実行基盤のキューに配置されます。Actorは一度に1つのタスクのみを実行し、競合がないことを保証します。2つのスレッドが同時にdepositを呼び出すと、2番目の呼び出しは最初の呼び出しが完了するまで待機します。

let account = BankAccount(initialBalance: 1000.0)
// 非同期呼び出し — actorの外部から必要
await account.deposit(amount: 500.0)
let currentBalance = await account.getBalance()

actorメソッドの呼び出しにはすべてawaitが必要です。actorが別のタスクでビジー状態である可能性があるためです。これはバグではなく、競合を防ぐための意図的な設計です。Swiftは暗黙的にactorプロパティのゲッターとセッターを非同期にするため、プロパティの読み取りにもawaitが必要です。

Actorとクラスの主な違い

Actorとクラスはどちらも参照型ですが、マルチスレッド環境での動作は大きく異なります。クラスは競合に対する自動保護を一切提供しませんが、actorは型システムを通じてコンパイラレベルでそれを組み込みます。

Actorの継承

Actorは別のactorからのみ継承でき、クラスから継承することはできません。これは意図的なもので、クラスにはactor隔離メカニズムがなく、型を混在させると安全性の保証が損なわれるためです。

actor SavingsAccount: BankAccount {
    func applyInterest(rate: Double) {
        let interest = balance * rate
        balance += interest
    }
}

Actorメソッドの非同期呼び出し

非同期呼び出しは、外部コードからactorと対話するためのメカニズムです。Actorはその状態を隔離するため、外部からそのメンバーにアクセスするにはawaitが必要です。これにより、呼び出し元のコードがスレッドをブロックせず、actorが他のリクエストを処理できることが保証されます。

グローバルActorとローカルActor

宣言されたactor型に加えて、Swiftはグローバルactor — @MainActor属性をサポートしています。これはクラス、プロパティ、またはメソッドをメインスレッドで実行可能としてマークします。これはiOSアプリケーションのUIコードに特に便利です。

@MainActor
class ViewModel: ObservableObject {
    @Published var title: String = ""
    
    func updateTitle() {
        // このコードはメインスレッドで実行されることが保証されています
        title = "New Title"
    }
}

@MainActorを使用すると、手動でDispatchQueue.main.asyncを呼び出す必要がなくなり、コードがよりクリーンで安全になります。コンパイラはメインスレッドへの切り替えが正しく行われることを確認します。

NonisolatedとActor-Isolatedコンテキスト

Nonisolatedは、actorのメソッドまたは計算プロパティを非隔離としてマークできるキーワードです。これらのメンバーはactor隔離状態にアクセスできませんが、actorの外部からawaitなしで呼び出すことができます。

Nonisolated関数

Nonisolatedメソッドは、actorの可変状態に依存しない計算に役立ちます。たとえば、formatBalanceメソッドはbalanceに直接アクセスせず、渡された値をフォーマットするだけです。このようなメソッドはnonisolatedにしても安全です。

actor BankAccount {
    private var balance: Double = 0
    
    nonisolated func formatBalance(amount: Double) -> String {
        return "$\(amount)"
    }
}

Nonisolatedメンバーは同期的に実行され、awaitを必要としません。ただし、actor隔離プロパティを直接読み取ることはできません。Nonisolatedメソッドがactorから値を受け取る必要がある場合は、パラメータとして渡す必要があります。

Reentrancyと再入

Reentrancyは、非同期呼び出しの待機中にactorへの再入を許可するメカニズムです。Reentrancyがないと、あるメソッドが別のメソッドを待機し、そのメソッドが最初のメソッドを待機する場合、actorは永久にデッドロックする可能性があります。

Reentrancyの仕組み

Actor内のコードがawaitを実行すると、actorは現在のタスクを一時停止し、キューにある別のタスクを処理できます。Awaitが完了すると、タスクは再開されます。これによりデッドロックが防止されますが、注意が必要です。awaitポイント間でactorの状態が変化する可能性があります。

actor DataProcessor {
    var cache: [Int: String] = [:]
    
    func process(id: Int) async -> String {
        if let cached = cache[id] {
            return cached
        }
        // await — 再入ポイント
        let result = await fetchData(id: id)
        // await後にキャッシュが変更されている可能性があります — 再確認してください
        cache[id] = result
        return result
    }
}

開発者はreentrancyを考慮し、awaitポイントの後にactorの状態を確認する必要があります。典型的な間違いは、actor隔離が非同期の一時停止ポイントを越えて持続すると想定することです。実際には、awaitと次のステートメントの間で、状態が期待と異なる場合があります。