介绍 Swift Atomics
我很高兴地宣布 Swift Atomics，这是一个新的开源包，它允许在 Swift 代码中直接使用底层原子操作。该库的目标是使大胆的系统程序员能够直接在 Swift 中开始构建同步结构（例如并发数据结构）。
作为一个快速的体验，以下是使用这个新包的原子操作的样子
import Atomics
import Dispatch
let counter = ManagedAtomic<Int>(0)
DispatchQueue.concurrentPerform(iterations: 10) { _ in
for _ in 0 ..< 1_000_000 {
counter.wrappingIncrement(by: 1, ordering: .relaxed)
}
}
counter.load(ordering: .relaxed) // ⟹ 10_000_000
您可能已经注意到，此示例中的原子操作不遵循管理普通 Swift 变量的独占规则。原子操作可以从多个并发执行线程执行，只要该值仅通过原子操作访问即可。
这是由 SE-0282 实现的，这是一个最近被接受的 Swift 演进提案，它明确采用了 Swift 的 C/C++ 风格内存模型，并且（非正式地）描述了常规 Swift 代码如何与原子操作互操作。事实上，这个新包中的大多数 API 都来自 SE-0282 提案的先前版本：它们最初是由 Evolution 论坛 上一个极具成效的协作努力开发的。我非常感谢所有对这些讨论做出贡献的人，我希望这个包将以同样高昂的精神继续合作！
风险自负
Atomics 包为原子操作提供了经过深思熟虑的 API，该 API 遵循 Swift API 的既定设计原则。但是，底层操作在非常低的抽象级别上工作。原子性——甚至比其他低级并发构造更甚——众所周知地难以正确使用。
这些 API 启用了以前 Swift 程序员无法实现的系统编程用例。特别是，原子性使得创建更高级别、更易于使用的构造来管理并发成为可能，而无需从另一种语言导入它们的实现。
与标准库中的不安全 API 类似，我们建议非常谨慎地使用此包——最好根本不要使用！但是，如果必要，最好
- 实现现有的已发布算法，而不是发明新的算法，
- 将原子代码隔离到小的、易于审查的单元，
- 并避免将原子构造作为接口类型传递。
以极其谨慎的态度对待原子代码。每次接触后都要大量使用线程清理器！
支持的原子类型
该包为以下 Swift 类型实现了原子操作，所有这些类型都符合公共 AtomicValue 协议
- 标准有符号整数类型（
Int、Int64、Int32、Int16、Int8） - 标准无符号整数类型（
UInt、UInt64、UInt32、UInt16、UInt8） - 布尔值 (
Bool) - 标准指针类型（
UnsafeRawPointer、UnsafeMutableRawPointer、UnsafePointer<T>、UnsafeMutablePointer<T>），以及它们的可选包装形式（例如Optional<UnsafePointer<T>>） - 非托管引用（
Unmanaged<T>、Optional<Unmanaged<T>>） - 一种特殊的
DoubleWord类型，它由两个UInt值组成，low和high，提供双倍宽度的原子原语 - 任何
RawRepresentable类型，其RawValue反过来又是原子类型（例如简单的自定义枚举类型） - 对选择原子使用的类实例的强引用（通过符合
AtomicReference协议）
特别值得注意的是对原子强引用的完全支持。这为并发数据结构提供了方便的内存回收解决方案，与 Swift 的引用计数内存管理模型完美契合。（原子强引用是根据 DoubleWord 操作实现的。）
原子强引用的一个常见用例是创建某种类类型的延迟初始化（但在其他方面是常量）变量。在这种简单的情况下，使用通用原子引用将非常昂贵，因此我们还提供了一组更高效的构造（ManagedAtomicLazyReference 和 UnsafeAtomicLazyReference），它们专门针对延迟初始化进行了优化。这可以作为类上下文中 lazy var 存储属性的有用替代品，这些属性在并发上下文中使用是不安全的。
内存管理
原子访问是根据专用的原子存储表示来实现的，这些表示与相应的常规（非原子）类型保持不同。（例如，上面计数器下的实际整数值无法直接访问。）这有几个优点：
- 它有助于防止对原子变量的意外非原子访问，
- 它使某些原子值能够使用与其常规布局分离的自定义存储表示（例如原子强引用使用的那个），并且
- 它更适合在幕后用于实现实际操作的标准 C 原子库。
虽然底层的基于指针的原子操作作为静态方法暴露在相应的 AtomicStorage 类型上，但我们强烈建议使用更高级别的原子包装器来管理准备/处置原子存储的细节。此版本的库提供了两种包装器类型：
- 易于使用、内存安全的
ManagedAtomic<T>泛型类，以及 - 不太方便但更灵活的
UnsafeAtomic<T>泛型结构体，带有手动内存管理。
ManagedAtomic 对于每个原子值都需要一个类实例分配，并且它依赖引用计数来管理内存。这使其非常方便，但分配/引用计数开销可能不适合每个用例。另一方面，UnsafeAtomic 可用于对您可以检索指针的任何内存位置（具有适当的存储类型）执行原子操作，包括您自己分配的内存、ManagedBuffer 存储的切片等。为了换取这种灵活性，您需要手动确保指针在您访问它时保持有效。
这两种构造都为所有 AtomicValue 类型提供以下原子操作：
func load(ordering: AtomicLoadOrdering) -> Value
func store(_ desired: Value, ordering: AtomicStoreOrdering)
func exchange(_ desired: Value, ordering: AtomicUpdateOrdering) -> Value
func compareExchange(
expected: Value,
desired: Value,
ordering: AtomicUpdateOrdering
) -> (exchanged: Bool, original: Value)
func compareExchange(
expected: Value,
desired: Value,
successOrdering: AtomicUpdateOrdering,
failureOrdering: AtomicLoadOrdering
) -> (exchanged: Bool, original: Value)
func weakCompareExchange(
expected: Value,
desired: Value,
successOrdering: AtomicUpdateOrdering,
failureOrdering: AtomicLoadOrdering
) -> (exchanged: Bool, original: Value)
整数类型带有用于递增或递减值以及按位逻辑运算的附加原子操作。Bool 在同一方面提供了一些布尔运算。
排序枚举对应于 C/C++ 标准中的 std::memory_order，但此包不公开消耗内存排序。（memory_order_consume 未由任何 C/C++ 编译器实现，虽然它没有被明确弃用，但其语义正在修订中，并且在当前版本的 C++ 标准中不鼓励使用。）Atomics 包为排序提供了三个单独的枚举，每个枚举代表分别应用于加载、存储或更新操作的排序子集。
无锁与无等待操作
此包公开的所有原子操作都保证具有无锁实现。无锁意味着原子操作是非阻塞的——它们永远不需要等待其他线程的进度来完成自己的任务。
但是，我们不保证无等待操作：根据目标平台的功能，一些公开的操作可以通过比较和交换循环来实现。当多个线程反复竞争访问同一个原子变量时，可能会导致不公平的调度，其中一些线程可能会被其他线程反复抢占，迫使它们重试操作任意次数。尽管如此，所有原子操作都直接映射到专用的、无等待的 CPU 指令（如果可用）——在 LLVM 和 Clang 支持的范围内。
下一步是什么？
在短期内，我们希望通过添加更多原子类型和操作来完善该包，并通过改进现有的测试套件来验证我们对正确性和性能的假设。
-
标记原子 将为解决并发数据结构的常见问题提供有用的工具。这很可能建立在该库已经公开的双倍宽度原子原语之上，但发明正确的标记 API 是一项有趣的 API 设计挑战。
-
对某些 原子浮点运算 的支持是一项常见的要求。
参与进来
非常欢迎您的经验、反馈和贡献！
- 开始使用，请尝试 GitHub 上的
Atomics库， - 在 Atomics 论坛 中讨论该库并获得帮助，
- 打开一个 issue，说明您发现的问题或您对改进的想法，
- 与往常一样，欢迎 pull requests！