Actor — що це, ізоляція даних і конкурентність

Що таке Actor у Swift?

Actor — це посилальний тип, аналогічний класу, але з автоматичним захистом від станів гонки. Він був представлений у Swift 5.5 як частина системи конкурентності разом з async/await та Task. Actor гарантує, що його змінюваний стан ніколи не буде одночасно прочитаний або записаний з різних потоків без явної синхронізації.

Синтаксис оголошення Actor

Для оголошення actor використовується ключове слово actor, після якого йдуть фігурні дужки з його членами. Синтаксично actor нагадує клас, але поведінка радикально відрізняється.

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

Компілятор автоматично ізолює всі властивості та методи actor так, що вони стають доступними лише всередині actor-контексту. При спробі звернутися до balance ззовні actor компілятор видасть помилку, якщо виклик не позначено як async.

Як працює ізоляція даних в Actor

Ізоляція даних — це ключова концепція actor. Actor гарантує взаємно виключний доступ до свого стану через механізм actor-виконавця (actor executor). Кожен actor має власного виконавця, який обробляє всі звернення до його ізольованих членів послідовно.

Принцип роботи ізоляції

Коли код поза actor викликає його метод, виклик поміщається в чергу actor-виконавця. Actor виконує лише одне завдання одночасно, що гарантує відсутність станів гонки. Якщо два потоки одночасно викликають deposit, другий виклик очікує завершення першого.

let account = BankAccount(initialBalance: 1000.0)
// Асинхронний виклик — вимагається ззовні actor
await account.deposit(amount: 500.0)
let currentBalance = await account.getBalance()

Кожен виклик методу actor вимагає await, тому що actor може бути зайнятий іншим завданням. Це — не баг, а свідомий дизайн, що запобігає станам гонки. Swift неявно робить геттери та сеттери властивостей actor async, тому читання властивості також вимагає await.

Основні відмінності Actor від класу

Actor та клас є посилальними типами, але їх поведінка в багатопотоковому середовищі кардинально відрізняється. Клас не забезпечує жодного автоматичного захисту від станів гонки, тоді як actor вбудовує її на рівні компілятора через систему типів.

Спадкування Actor

Actor може успадковуватися лише від іншого actor і не може успадковуватися від класу. Це зроблено свідомо, тому що клас не має механізму actor-ізоляції, і змішування типів призвело б до порушення гарантій безпеки.

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

Асинхронні виклики методів Actor

Асинхронні виклики — це механізм взаємодії з actor із зовнішнього коду. Оскільки actor ізолює свій стан, будь-який доступ до його членів ззовні вимагає await. Це дозволяє Swift гарантувати, що код, який викликає, не блокує потік, і actor може обробляти інші запити.

Глобальні та локальні actor

Окрім оголошених типів actor, Swift підтримує глобальні actor — атрибут @MainActor, який позначає класи, властивості або методи як виконувані на головному потоці. Це особливо корисно для UI-коду в iOS-додатках.

@MainActor
class ViewModel: ObservableObject {
    @Published var title: String = ""
    
    func updateTitle() {
        // Цей код гарантовано виконується на головному потоці
        title = "New Title"
    }
}

Використання @MainActor позбавляє від необхідності вручну викликати DispatchQueue.main.async, що робить код чистішим і безпечнішим. Компілятор перевіряє, що перемикання на головний потік відбувається коректно.

Nonisolated та actor-isolated контексти

Nonisolated — це ключове слово, яке дозволяє позначити метод або обчислювану властивість actor як не ізольовану. Такі члени не мають доступу до actor-ізольованого стану, але можуть викликатися без await ззовні actor.

Nonisolated функції

Nonisolated методи корисні для обчислень, що не залежать від змінюваного стану actor. Наприклад, метод formatBalance не звертається до balance безпосередньо, а лише форматує передане значення — такий метод безпечно зробити nonisolated.

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

Nonisolated-члени виконуються синхронно і не потребують await. Однак вони не можуть читати actor-ізольовані властивості безпосередньо. Якщо nonisolated методу потрібне значення з actor, його потрібно передати параметром.

Reentrancy та повторний вхід

Reentrancy — це механізм, який дозволяє повторний вхід в actor під час очікування асинхронного виклику. Без reentrancy actor міг би заблокуватися назавжди, якби один його метод очікував інший, який своєю чергою очікує перший.

Як працює reentrancy

Коли код всередині actor виконує await, actor призупиняє поточне завдання і може обробити інше, поставлене в чергу. Після завершення await завдання відновлюється. Це запобігає deadlock, але потребує обережності: стан actor між точками await може змінитися.

actor DataProcessor {
    var cache: [Int: String] = [:]
    
    func process(id: Int) async -> String {
        if let cached = cache[id] {
            return cached
        }
        // await — точка повторного входу
        let result = await fetchData(id: id)
        // Кеш може змінитися після await — перевірте ще раз
        cache[id] = result
        return result
    }
}

Розробники повинні враховувати reentrancy та перевіряти стан actor після точок await. Типова помилка — припущення, що actor-ізоляція зберігається крізь асинхронні паузи. На практиці між await та наступним оператором стан може відрізнятися від очікуваного.