Swift Async Algorithmsについて

Appleの最新のオープンソースSwiftパッケージ「Swift Async Algorithms」を紹介します。このパッケージより、Zip、マージ、スロットルなど、AsyncSequenceで使用できるアルゴリズムについて解説します。これらのアルゴリズムで優れたメッセージングAppを構築しますので、是非ともご確認ください。また、複数のAsyncSequencesと組み合わせたり、Swift Clockタイプで経時的に値を連携させたりするベストプラクティスも紹介します。このセッションを最大限に活用するには、「AsyncSequenceについて」をご確認ください。

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こんにちは Philippeです Swiftでオープンソースのパッケージカタログが増え続けています最新の追加パッケージの1つを紹介することを嬉しく思います Swift Async Algorithmsですこのパッケージは Swift Collectionsや Swift Algorithms など他パッケージと並んでおり Swift Async Algorithmsパッケージは特に AsyncSequenceを使用し時間をかけて値を処理することに焦点を当てたアルゴリズムですしかしその前に AsyncSequenceについて簡単におさらいしましょう AsyncSequenceは非同期に生成される値を記述するためのプロトコルです基本的にはSequenceと同じですが 2つの重要な違いがありますそのイテレータから次の関数は Swiftの並行処理で値を配信できる為非同期です Swiftのスロー効果を使い失敗の可能性がある物を処理できますシーケンスと同様に for-await-in構文を使って繰り返し実行することができますつまりSequenceの使い方を知っていれば AsyncSequenceの使い方はすでに知っているのです AsyncSequenceが導入され Sequenceに期待されるほぼ全てのツールが非同期版でそのまま追加されました map filter reduceなどのアルゴリズムがあります Swift Async Algorithmsパッケージはより高度なアルゴリズムを取り入れさらに一歩前進しまたクロックとの相互運用で強力なものを提供ができるようになりました Swiftの並行処理を補強する AsyncSequenceアルゴリズムのオープンソースパッケージです昨年 Swift Algorithmsのパッケージを導入しましたそれらのアルゴリズムの使い方を実証するためメッセージングAppを作りましたそのパッケージでできることの豊かさ力強さを実感しました Swiftの並行処理を使うため Appを移行することで本当に良い機会がいくつもあると判断したのです非同期アルゴリズムのいくつかを紹介するために私たちが使用したものとその動作を説明しますまず最初に複数の入力AsyncSequenceを扱うためのアルゴリズム群があります AsyncSequenceを様々な方法で組み合わせるアルゴリズムですある共通した特徴があります: 複数の入力AsyncSequenceを受け 1つの出力AsyncSequenceを生成します

ご存知の方も多いかもしれませんが Zipです Zipアルゴリズムは複数の入力を受け取り各ベースからの結果のタプルを生成するように反復します Zipの各入力は Zipを構成するベースとなるものです非同期Zipアルゴリズムは標準ライブラリZipアルゴリズムと同様に動作しますが各ベースを同時に反復処理しいずれかの反復処理に失敗した場合はエラーを再スローしますさてこのようにエラーを出しながら同時並行的に反復することはかなり大変なことですしかし Swift Async Algorithms パッケージはメッセージAppのためそのすべてを引き受けてくれました以前は録画したビデオプレビューを非同期で生成したりビデオを複数のサイズにトランスコードして効率的に保存転送するためのコードを多数用意していました Zipを使用することでトランスコードビデオをサーバに送信時プレビューを確実に表示することができます Zipは同時進行なのでトランスコードもプレビューも互いに遅れることはありませんしかしこれはもう少し先の話です Zip自身はどちらが先に値を生成したか優先せずビデオが先に生成されたりプレビューが生成されたりそれがどちらであっても相手が完全なタプルを送信するのを待つことになります Zipは値のタプルを構築するため各サイドを同時に待ち受けるので一緒にアップロードできるようペアを待ち受けることができます受信メッセージをAsyncSequence としてモデル化することは非常に理にかなっているという結論に達しましたメッセージ処理のために AsyncStreamを使用しましたこれは順序を維持しコールバックをメッセージの AsyncSequenceに変える為です取り組むべき要望のひとつに「複数アカウントに対応したい」というものがありました各アカウントは受信メッセージの AsyncStreamを作成しますがこれを実装する場合まとめて1つのAsyncSequenceとして処理する必要がありますそれらAsyncSequenceをマージするアルゴリズムが必要でした Swift Async Algorithmsパッケージにはそのためのアルゴリズムがありその名も「マージ」と名付けられています複数のAsyncSequencesを同時に反復する点では Zipと同様ですがペアのタプルを作成するのではなくベースが同じ要素タイプを共有する必要がありベースのAsyncSequencesをそれらの要素の単一の AsyncSequenceにマージするものです Mergeは反復処理された際どちらかが生成する最初の要素を取ることで機能します生成可能な値がなくなるまで具体的にはすべてのベース AsyncSequencesがイテレータからnilを返すまで反復し続けますあるベースでエラーが発生した場合他のイテレーションはキャンセルされますメッセージのAsyncSequences を取りそれらをマージできます結合アルゴリズムは値が生成されるタイミングに並行して作業しますが時には時間そのものとインタラクションすることが有効です Swift Async Algorithmsは Swiftの新しい Clock API を利用し時間アルゴリズムのファミリーをもたらします時間そのものは本当に複雑な主題であり Swift (5.7) の新しいAPIはそれを安全かつ一貫したものですクロックインスタントデュレーションです

Clockプロトコルは与えられた瞬間後に起きる方法と現在という概念を生み出す方法の 2つのプリミティブを定義していますいくつかのビルトイン Clockがあります代表的なものに ContinuousClockと SuspendingClock があります ContinuousClockを使えばストップウォッチのように計測媒体の状態に関係なく時間が進む計測が可能です一方SuspendingClockはその名の通りマシンがスリープ状態になるとサスペンドされますこのAppでは新しいClock APIを使い既存コールバックイベントから Clockのスリープ関数に移行し締め切り後アラートを解除しました何秒遅らせたいかを示す duration値を追加することでデッドラインを作成することができます Clockは仕事の実行時間の経過を測定する便利なメソッドも持っています紹介した共通クロック SuspendingClockと ContinuousClock を使用しています

以下は測定される作業の潜在的な経過時間を示す表示ですこの2つのクロックの重要な違いはマシンがスリープ時の動作にあります

このような長時間の作業には今回のように作業を一時停止することも可能ですしかし実行を再開するとマシンがスリープ中の間に ContinuousClock は進行しますが SuspendingClockは進行しません一般的にこの違いはアニメーションの実行タイミングを一時停止することで期待通りの動作をさせる重要なディテールとなることがありますアニメーションのようにマシーンとの関係でtime inを操作する必要がある場合 SuspendingClockを使用します

デバイスの前にいる人間との関係でタスクを計測するのは ContinuousClock の方が適しています絶対的な時間つまり人間にとって相対的なもので遅延させる必要がある場合 ContinuousClockを使用します Swift Async Algorithmsはこれらの新しい Clock Instant Duration タイプを使用しイベントが時間を処理する方法の概念の多くを扱うための一般的アルゴリズムを構築しますメッセージAppではイベントを正確に制御する為これらがとても役に立ちましたインタラクションを制限し効率的にバッファできます最も時間を使ったのはメッセージの検索です結果のチャンネルを管理するコントローラを作成しましたチャネルは検索タスクから UIに戻る検索結果を整理します検索タスク自体にも時間に関するいくつかの特徴が必要でしたサーバでの送信メッセージの検索をレート制限したかったのです

アルゴリズムDebounceは繰り返し実行された場合次の値を出力する前に静止期間を待ちますイベントがどんどん入ってくるということですが静寂の時を待って値を扱うようにしたいのです検索フィールドからのユーザ入力が急激に変更された場合変更のたびに検索コントローラが検索リクエストを起動するのは避けたいですその代わりタイピングが行われそうだと確信できる閑散期を待つようにしたいのですデフォルトでDebounceは ContinuousClockを使用しますこの場合何も起きていない状態で指定した時間だけ入力を待つデバウンスを行うことができますクロックとデュレーションはデバウンスだけでなく他のアルゴリズムにも使われますその中で特に便利だと感じたのはサーバへのメッセージの一括送信です Swift Algorithms パッケージの中に値をチャンクするためのアルゴリズム群があります Swift Async Algorithmsはそれらを提供するだけでなくクロックとデュレーションと相互運用するバージョンのセットも追加していますチャンキングアルゴリズムのファミリーはチャンクを数時間または内容で制御することができますエラーが発生した場合そのエラーは再スローされ私たちのコードは失敗しても安全です chunked(by:) APIを使用しメッセージチャンクがシリアライズされ特定の経過時間までに送信されるようにしましたサーバはクライアントから送られるパケットを効率よく受け取れますこのAPIを使い 500ミリ秒ごとにメッセージバッチをビルドすることができたのです誰かが興奮して速くタイピングしてもサーバに送られるリクエストはグループ化されるのですコレクションやシーケンスを扱う場合要素の遅延処理は便利でパフォーマンスも上がります AsyncSequenceはSwift 標準ライブラリで遅延アルゴリズムがどう動作するかによく似ていますそのLazyなアルゴリズムと同じくコレクションの世界に戻らなければならないこともしばしばあります Swift Async Algorithmsは AsyncSequence を使ってコレクションを構築するイニシャライザのセットを提供します有限なのが分かっている AsyncSequencesを入力として辞書セットまたは配列を構築することができますコレクションイニシャライザを使えばメッセージの初期化時に変換を組み込みデータ型を Arrayのままにしておけます Swiftの並行処理を使うために本当に更新が必要な機能が数多くあったのでこれは本当に便利でした既存のデータ構造を維持することで Appの一部を段階的にそして意味のある場所に移行することができますここまで Swift Async Algorithmsパッケージのハイライトのほんの一端を紹介したに過ぎません今日取り上げたもの以外にもまだまだたくさんあります複数のAsyncSequence の組み合わせ時間レート制限チャンクへの分割などさまざまなアルゴリズムがありますがこれらは私たちのAppの広範囲に使用することになったハイライトにすぎませんこのパッケージにはそれ以外に様々な機能が搭載されていますバッファリングリデュースジョイン断続的な値の注入など多岐にわたります Swift Async Algorithms パッケージは時間をかけて物事を処理する一連のアルゴリズムを Appで役立つ幅広い高度な機能へと拡張した物です試してみてください皆さんがどんなものを作るのかとても楽しみにしていますしその興奮は共通していますこのパッケージは皆さんと共にオープンで開発していますご視聴ありがとうございました残りのカンファレンスもお楽しみください ♪ ♪

2:01 - The messaging app

struct Account {
  var messages: AsyncStream<Message>
}  

actor AccountManager {
  var primaryAccount: Account
  var secondaryAccount: Account? 
}

protocol MessagePreview {
  func displayPreviews(_ manager: AccountManager) async }

3:16 - Zip

// upload attachments of videos and previews such that every video has a preview that are created concurrently so that neither blocks each other. 

for try await (vid, preview) in zip(videos, previews) {
  try await upload(vid, preview)
}

5:09 - Merge

// Display previews of messages from either the primary or secondary account

for try await message in merge(primaryAccount.messages, secondaryAccount.messages) {
  displayPreview(message)
}

6:37 - Suspending Clock

// Sleep until a given deadline

let clock = SuspendingClock()
var deadline = clock.now + .seconds(3)
try await clock.sleep(until: deadline)

6:56 - Suspending Clock vs. Continuous Clock

let clock = SuspendingClock()
let elapsed = await clock.measure {
  await someLongRunningWork()
}
//Elapsed time reads 00:05.40

let clock = ContinuousClock()
let elapsed = await clock.measure {
  await someLongRunningWork()
}
//Elapsed time reads 00:19.54

8:34 - Control searching messages

// Control searching messages

class SearchController {
  let searchResults = AsyncChannel<SearchResult>()

  func search<SearchValues: AsyncSequence>(_ searchValues: SearchValues) 
    where SearchValues.Element == String 
}

9:16 - Debounce

let queries = searchValues
   .debounce(for: .milliseconds(300))

for await query in queries {
  let results = try await performSearch(query)
  await channel.send(results) }

10:21 - Chunked by

let batches = outboundMessages.chunked(
  by: .repeating(every: .milliseconds(500))
)

let encoder = JSONEncoder() 
for await batch in batches {
  let data = try encoder.encode(batch)
  try await postToServer(data) 
}

11:22 - Conversions in initializers

// Create a message with awaiting attachments to be encoded
init<Attachments: AsyncSequence>(_ attachments: Attachments) async rethrows {
  self.attachments = try await Array(attachments)
}

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