Почему асинхронность — это не магия, а необходимость

Приветствую, дорогие читатели! Сегодня поговорим о том, как заставить ваше iOS-приложение работать быстро и плавно, даже если оно пытается одновременно загрузить библиотеку Конгресса США, отрендерить трехмерную модель вашей бабушки и посчитать, сколько звезд во Вселенной (спойлер: много).

Многопоточность и асинхронность в iOS – это не просто модные словечки, которыми можно блеснуть на собеседовании (хотя и для этого тоже сгодятся). Это ключевые концепции, без понимания которых ваше приложение рискует превратиться в неповоротливого ленивца, который зависает каждый раз, когда пользователь пытается загрузить очередную фоточку своего кота.

В этой статье я постараюсь объяснить, как работает многопоточность в iOS, какие инструменты предоставляет нам Apple для её реализации, и почему async/await – это не название нового K-pop дуэта. Поехали!

Основные понятия: разбираемся в терминологии, пока не взорвался мозг

Прежде чем погружаться в дебри многопоточного программирования, давайте определимся с терминологией – чтобы потом не путаться, как junior на своем первом код-ревью.

Многопоточность – это как способность вашего мозга одновременно жевать жвачку и ходить (хотя некоторым это не дано). В контексте iOS это означает, что ваше приложение может выполнять несколько задач параллельно, распределяя их по разным потокам выполнения. Представьте, что это несколько поваров на кухне, каждый из которых готовит свое блюдо – работа идет быстрее, чем если бы один повар пытался успеть везде.

Асинхронность – это когда вы отправляете сообщение в мессенджере и не сидите, уставившись в экран в ожидании ответа, а идете заниматься другими делами. В программировании это означает, что приложение не блокируется в ожидании завершения длительной операции, а продолжает реагировать на действия пользователя.

Конкурентность vs Параллелизм – эти термины часто путают, как очередной фреймворк от Google с очередным фреймворком от Facebook. Конкурентность – это когда задачи могут начинаться, выполняться и завершаться в перекрывающиеся периоды времени (как жонглирование). Параллелизм – это когда задачи действительно выполняются одновременно (как игра на пианино двумя руками, если вы, конечно, умеете).

Все это работает примерно так: представьте, что вы пытаетесь приготовить воскресный обед. Вы можете поставить суп вариться (асинхронная операция), пока нарезаете салат (параллельная задача), и периодически проверяете сообщения в телефоне (конкурентность). При этом если у вас есть помощник на кухне (дополнительный поток), вы можете делегировать ему часть задач.

И да, если вам кажется, что это сложно – вы не одиноки. Даже опытные разработчики иногда путаются в потоках, как наушники в кармане. Но не переживайте, дальше будет… ну, возможно, еще сложнее. Но зато интереснее!

Инструменты для реализации многопоточности в iOS: арсенал разработчика

Итак, Apple, как заботливая мама, предоставила нам целый набор инструментов для работы с многопоточностью. Давайте разберем каждый из них – от самых высокоуровневых до тех, о которых лучше знать, но желательно никогда не использовать (как номер бывшего).

Grand Central Dispatch (GCD): швейцарский нож многопоточности

GCD – это как умный автопилот для ваших задач. Вы говорите ему «вот эту штуку надо сделать», а он сам решает, когда и как это лучше выполнить. Прямо как мой менеджер проектов, только работает быстрее и не устраивает бесконечные митинги.

DispatchQueue.global().async {
// Здесь какая-нибудь тяжелая задача, например,
// подсчет количества багов в проекте
let result = calculateNumberOfBugs()

DispatchQueue.main.async {
// А здесь обновляем UI и плачем
updateUIWithBugCount(result)
}
}

NSOperation и NSOperationQueue: для тех, кто любит контроль

Если GCD – это автопилот, то NSOperation – это ручное управление. Здесь вы можете настроить приоритеты, зависимости между задачами и даже отменить операцию на полпути (если бы так можно было с некоторыми проектами…).

let queue = OperationQueue()
let operation = BlockOperation {
// Здесь что-то важное, например,
// загрузка фоточек котиков
}
queue.addOperation(operation)

pthread и NSThread: для любителей хардкора

А это – низкоуровневые инструменты, своего рода ассемблер многопоточности. Как говорится, «с большой силой приходит большая ответственность» (и большие проблемы с отладкой).

var thread: pthread_t?
pthread_create(&thread, nil, { /* здесь магия и боль */ }, nil)
Использовать pthread и NSThread в 2024 году – примерно как писать веб-сайты на чистом HTML: можно, но зачем? Разве что вы разрабатываете какой-нибудь сверхкритичный компонент для ядерного реактора (и даже тогда я бы дважды подумал).

На самом деле, выбор инструмента для многопоточности – это как выбор транспорта: можно ехать на лимузине (GCD), можно на спортивной машине с ручной коробкой (NSOperation), а можно и на самокате с реактивным двигателем (pthread). Главное – доехать до цели и не разбиться по дороге!

В следующих разделах мы подробнее рассмотрим каждый из этих инструментов, чтобы вы могли выбрать тот, который лучше подходит для ваших задач. И да, мы обязательно обсудим все те случаи, когда все идет не по плану – потому что в многопоточном программировании это случается чаще, чем дедлайны в проектах.

Асинхронное программирование в Swift: как не превратить код в спагетти

Если многопоточность – это способ заставить приложение делать несколько дел одновременно, то асинхронное программирование – это искусство делать это красиво. Давайте посмотрим, какие инструменты предлагает нам Swift для этого благородного дела.

Замыкания (Closures): классика жанра

Замыкания в Swift – это как классический рок в музыке: все знают, все используют, хотя уже есть что-то поновее. Они позволяют нам передавать код как параметр и выполнять его позже. Примерно как записка с домашним заданием, которую вы оставляете себе на холодильнике – прочитаете потом (возможно).

fetchData { result in
switch result {
case .success(let data):
print(«Ура! Данные получены!»)
case .failure(let error):
print(«Упс… \(error)») // История моей жизни
}
}

async/await: новая школа

А вот и современный подход! async/await – это как микроволновка по сравнению с печью: тот же результат, но код выглядит чище и понятнее. Больше никаких callback hell, где скобочки размножаются быстрее кроликов.

func fetchUserData() async throws -> User {
let data = try await networkService.fetchData()
// Вот так просто! Никаких пирамид из замыканий
return try JSONDecoder().decode(User.self, from: data)
}
Красота async/await в том, что ваш асинхронный код читается как синхронный. Это как если бы вы могли написать рецепт приготовления борща в одну строчку, а котёл сам бы знал, когда и что добавлять.

Но есть и подводные камни (а как без них?). Например, async/await доступен только с iOS 13 и выше. Так что если ваше приложение должно поддерживать устройства, на которых еще установлен iOS 12 (да, такие еще существуют, представьте себе), придется использовать старый добрый подход с замыканиями.

Диаграмма, показывающая, насколько лаконичнее код с использованием async/await по сравнению с замыканиями (closures)

И помните: async/await – это не волшебная палочка, которая решит все проблемы с асинхронностью. Это просто более элегантный способ записи того, что мы и так делали с помощью замыканий. Как говорится, «под новым соусом те же макароны» – только теперь они выглядят аппетитнее!

Синхронизация потоков: танцы с бубном или искусство не наступать на грабли

Представьте, что у вас есть общая записная книжка, в которую одновременно пытаются что-то записать пять человек. Без правил и координации это превратится в полный хаос – примерно как корпоративный чат в пятницу вечером. В программировании такая ситуация называется «гонкой данных» (race condition), и это один из самых коварных багов в многопоточном программировании.

NSLock и другие механизмы блокировки: замки, которые мы выбираем

NSLock: самый простой способ сказать «занято»

let lock = NSLock()
var sharedResource = 0DispatchQueue.global().async {
lock.lock()
// Теперь только этот поток может изменять sharedResource
sharedResource += 1
lock.unlock() // Не забываем отпереть замок!
}
Это как табличка «занято» на двери туалета – простой и эффективный способ предотвратить конфликты. Но с одним важным отличием: если вы забудете вызвать unlock(), другие потоки застрянут в очереди навечно (дедлок, привет!).

NSRecursiveLock: для тех случаев, когда нужно запереть уже запертую дверь

let recursiveLock = NSRecursiveLock()
// Этот замок можно запереть несколько раз подряд
// Главное — столько же раз отпереть

Представьте, что вы входите в комнату, затем в шкаф, потом в тайную комнату в шкафу… NSRecursiveLock позволяет это сделать, не создавая дедлок. Только не забудьте потом найти выход!

Synchronized: олдскул, который еще жив

// Objective-C стиль, но работает
objc_sync_enter(self)
// Критическая секция
objc_sync_exit(self)

Это как винтажная одежда – не самое модное решение, но иногда именно то, что нужно.

DispatchSemaphore: когда нужно контролировать трафик

let semaphore = DispatchSemaphore(value: 2)
// Только два потока могут пройти одновременноDispatchQueue.global().async {
semaphore.wait() // Занимаем место
// Делаем что-то важное
semaphore.signal() // Освобождаем место
}
Это как охранник в клубе, который пускает только определенное количество людей одновременно. Очень полезно, когда нужно ограничить количество одновременных операций.

Выбор механизма синхронизации – это как выбор замка для входной двери: все зависит от ваших потребностей. NSLock подойдет для простых случаев, NSRecursiveLock – когда нужна рекурсия, а DispatchSemaphore – когда нужно контролировать количество одновременных доступов.

Только помните главное правило синхронизации потоков: чем меньше общих ресурсов, тем меньше проблем с синхронизацией. Как говорится, лучшая битва – та, которой удалось избежать!

Практические примеры использования: делаем что-то полезное (или хотя бы пытаемся)

Загрузка данных из сети: когда пользователь ждет, а сервер думает

Помните старые модемы и их очаровательные звуки подключения? Сегодня все работает тише, но ожидание загрузки данных все еще может превратить пользователя в философа. Давайте рассмотрим, как сделать этот процесс менее болезненным.

// Старый добрый способ с замыканиями
func fetchUserProfile(completion: @escaping (Result<UserProfile, Error>) -> Void) {
DispatchQueue.global().async {
// Имитируем запрос к серверу
Thread.sleep(forTimeInterval: 2) // Сервер «думает»DispatchQueue.main.async {
// Обновляем UI, если все прошло хорошо
// Или показываем пользователю милого котика, если что-то пошло не так
completion(.success(UserProfile(name: «Джон Доу»)))
}
}
}// А теперь то же самое, но с async/await
func fetchUserProfile() async throws -> UserProfile {
// Засекаем время, чтобы потом удивиться, как долго это заняло
let startTime = Date()let (data, response) = try await URLSession.shared.data(
from: URL(string: «https://api.example.com/profile»)!
)guard let httpResponse = response as? HTTPURLResponse,
httpResponse.statusCode == 200 else {
throw NetworkError.invalidResponse
}// Если дошли до сюда, значит все хорошо
return try JSONDecoder().decode(UserProfile.self, from: data)
}

Обработка больших объемов данных: когда RAM плачет, а CPU смеется

А теперь представим, что нам нужно обработать массив из миллиона котиков… то есть, простите, элементов данных.

// Параллельная обработка с использованием DispatchQueue
func processLargeDataArray(_ data: [Int]) {
let queue = DispatchQueue(label: «com.example.parallel»,
attributes: .concurrent)
let group = DispatchGroup()// Разбиваем данные на чанки (как пиццу на вечеринке)
let chunkSize = 1000
let chunks = stride(from: 0, to: data.count, by: chunkSize).map {
Array(data[$0..<min($0 + chunkSize, data.count)])
}// Обрабатываем каждый чанк в отдельном потоке
chunks.forEach { chunk in
group.enter()
queue.async {
let processedChunk = chunk.map { $0 * 2 } // Сложные вычисления!
// Сохраняем результаты…
group.leave()
}
}// Ждем, когда все закончится
group.notify(queue: .main) {
print(«Ура! Все обработано!»)
}
}// Тот же функционал с использованием async/await
func processLargeDataArray(_ data: [Int]) async throws {
// Создаем группу задач для параллельной обработки
try await withThrowingTaskGroup(of: [Int].self) { group in
let chunkSize = 1000// Добавляем задачи в группу
for chunk in data.chunks(ofCount: chunkSize) {
group.addTask {
// Здесь может быть ваша сложная обработка
return chunk.map { $0 * 2 }
}
}// Собираем результаты
var results: [Int] = []
for try await processedChunk in group {
results.append(contentsOf: processedChunk)
}print(«Обработано \(results.count) элементов!»)
}
}

В обоих примерах мы видим разные подходы к решению одних и тех же задач. GCD подход может показаться более verbose, но он дает нам больше контроля над процессом. async/await делает код более читаемым и понятным, но требует более современной версии iOS.

Помните: какой бы подход вы ни выбрали, главное – не забывать про обработку ошибок и edge cases. Потому что в реальной жизни сервера падают, сеть отваливается, а пользователи умудряются нажимать на кнопки в самый неподходящий момент. Прямо как в этой статье – вы же дочитали до конца?

Рекомендации и лучшие практики: как не выстрелить себе в ногу (или хотя бы целиться аккуратнее)

После всего вышесказанного у вас может сложиться впечатление, что многопоточное программирование – это минное поле, где каждый неверный шаг может привести к катастрофе. И знаете что? Вы абсолютно правы! Но у меня есть несколько советов, которые помогут вам пройти по этому полю с минимальными потерями.

• Держите главный поток свободным Относитесь к main thread как к VIP-персоне – пусть занимается только UI и ничем больше. Все тяжелые вычисления, загрузки и прочую черную работу отправляйте в background. Иначе ваше приложение будет тормозить как Windows 95 на современном компьютере.
• Избегайте гонок данных как чумы Если у вас есть общий ресурс, к которому обращаются несколько потоков – защитите его. Используйте locks, semaphores, акторы – что угодно, только не оставляйте данные беззащитными. Это как незапароленный Wi-Fi – рано или поздно кто-нибудь им воспользуется не по назначению.
• Не увлекайтесь с количеством потоков Создание нового потока – это не бесплатная операция. Не плодите их как кроликов. Используйте пулы потоков и очереди – они умнее нас и лучше знают, сколько потоков нужно в каждый момент времени.
• Тестируйте на разных устройствах То, что отлично работает на вашем iPhone 15 Pro Max, может превратиться в слайд-шоу на iPhone SE. Многопоточный код любит преподносить сюрпризы на разном железе.
• Документируйте потенциально опасные места Оставляйте комментарии о том, почему вы использовали тот или иной подход к синхронизации. Через полгода вы сами себе скажете спасибо (если доживёте до этого момента).

А главное – помните, что идеального кода не бывает. Бывает код, который работает достаточно хорошо, чтобы пройти код-ревью и не развалиться в продакшене. И это уже неплохо!

Если вам понравилась тема многопоточности и вы хотите погрузиться в неё ещё глубже, или может быть, вы только начинаете свой путь в iOS-разработке — важно выбрать правильное направление для обучения. Я собрал для вас подборку лучших курсов по iOS-разработке, где многопоточность и асинхронное программирование рассматриваются как часть комплексного подхода к созданию эффективных приложений. Независимо от вашего текущего уровня — от новичка до разработчика, желающего освежить знания — там вы найдёте подходящие образовательные программы с актуальным содержанием по Swift, SwiftUI и, конечно же, продвинутыми техниками многопоточного программирования.

Заключение: подводим итоги, пока приложение не упало

Ну что ж, друзья, мы с вами проделали долгий путь – от простых концепций многопоточности до реальных примеров использования async/await (и даже не заснули по дороге, что уже достижение).

Многопоточность в iOS – это как искусство приготовления борща: вроде бы рецепт простой, но у каждого получается по-своему, и иногда что-то идет не так. Главное – помнить, что это мощный инструмент, который может как значительно улучшить производительность вашего приложения, так и превратить его в непредсказуемое нечто, зависающее в самый неподходящий момент.

Независимо от того, какой подход вы выберете – классический GCD, модный async/await или олдскульный NSThread – помните главное: пользователю все равно, как именно работает ваше приложение, главное – чтобы оно работало быстро и не крашилось. А уж как вы этого добьетесь – дело ваше. Главное – не забывайте про обработку ошибок и тестирование. И да, те странные баги, которые воспроизводятся только по чётным вторникам на устройствах с разряженной батареей – они тоже считаются!