2-24.【Concurrency】AsyncStream 如何实现 producer/consumer 模型，保证线程安全？

1️⃣ 核心结论

AsyncStream 通过内部维护一个线程安全的队列和 continuation（挂起点）机制，实现 producer/consumer 模型。生产者可以在任意线程产生元素，消费者通过 for await 异步迭代获取元素，Swift runtime 自动保证线程安全和 Task 挂起/恢复。

一句话：内部队列 + continuation + executor 串行化 = 安全的异步流。

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2️⃣ AsyncStream 构成要素

1. Producer

   • 调用 yield(_:) 产生元素
   • 可以在任意线程执行

2. Consumer

   • for await element in stream 迭代元素
   • 消费者 Task 会在元素尚不可用时挂起

3. Continuation

   • runtime 保存 Task 的挂起状态
   • 数据到达后 resume Task

4. 内部队列

   • 缓存还未被消费的元素
   • 保证生产者和消费者不同线程也能安全交互

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3️⃣ Producer/Consumer 流程

let stream = AsyncStream<Int> { continuation in
    // Producer
    Task.detached {
        for i in 0..<3 {
            continuation.yield(i)        // 产生元素
            try await Task.sleep(nanoseconds: 500_000_000)
        }
        continuation.finish()            // 流结束
    }
}

// Consumer
Task {
    for await element in stream {
        print(element)                  // 消费元素
    }
}

流程解释

1. Producer 调用 yield

   • 将元素放入内部线程安全队列
   • 若有挂起的消费者 Task → 调用 continuation.resume() 恢复 Task

2. Consumer 调用 next()/for await

   • 如果队列为空 → Task 挂起，状态保存在 continuation
   • 队列有数据 → 立即返回元素
   • Task resume 后继续循环

3. 线程安全

   • yield 和 next() 可以在不同线程调用
   • 内部队列 + continuation + Swift runtime 保证同步访问
   • 无需显式锁

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4️⃣ 内部原理

Producer Thread
   └─ yield(x)
       ├─ 入队 (Thread-safe)
       └─ 如果有挂起消费者 → resume Task

Consumer Task
   └─ await next()
       ├─ 队列有元素 → 返回
       └─ 队列空 → Task suspend → 保存 continuation

元素生成 → resume 挂起 Task → Task 获取元素

• 队列：缓存未消费数据
• continuation：挂起点，保存 Task 状态
• resume：恢复挂起 Task
• 串行化：每个元素消费顺序一致，线程安全

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5️⃣ AsyncThrowingStream 也是类似机制

• 区别在于 finish 可以带 error
• Consumer 使用 for try await
• 错误通过 continuation 恢复挂起 Task 并抛出

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6️⃣ 优势总结

1. 天然 producer/consumer

   • 生产者异步生成数据
   • 消费者异步迭代

2. 线程安全

   • 内部队列 + continuation + runtime 串行化
   • yield/next 可跨线程调用

3. 异步挂起/恢复

   • 避免阻塞线程
   • 支持结构化并发

4. 可组合

   • 可以与 TaskGroup / async let 配合，构建复杂异步流水线

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7️⃣ 面试必背总结

AsyncStream 通过内部线程安全队列 + continuation 实现 producer/consumer 模型。生产者可以在任意线程调用 yield 产生元素，消费者通过 for await 异步迭代获取元素；如果队列为空，消费者 Task 挂起，元素到达后由 runtime resume Task，从而保证线程安全和异步流顺序一致性。