Swift 5、TypeScript 和 Python 的 async/await 机制都旨在简化异步编程，但它们在实现细节、并发模型和性能特征上有所不同。Swift 5 的 async/await 构建于结构化并发之上，强调通过 Task 进行非阻塞的任务挂起和高效的线程利用。TypeScript (JavaScript) 的 async/await 是基于 Promise 和事件循环的语法糖，适用于单线程非阻塞 I/O 环境。Python 的 async/await 则依赖于 asyncio 库和协程，通过事件循环实现协作式多任务，特别适合 I/O 密集型应用。 三者在错误处理上都倾向于使用类似同步代码的 try-catch 结构，但在并发执行的具体方式（如 Swift 的 async let/TaskGroup，TypeScript 的 Promise.all，Python 的 asyncio.gather）和阻塞行为（Swift 和 Python 强调非阻塞挂起，JavaScript 本身是单线程非阻塞）上存在差异。
1. 概述
1.1 异步编程的重要性
在现代软件开发中，异步编程扮演着至关重要的角色。随着应用程序日益复杂，用户对响应速度和系统吞吐量的要求也越来越高。无论是处理高并发的网络请求、执行耗时的 I/O 操作（如文件读写、数据库访问），还是在不阻塞用户界面的前提下运行后台任务，异步编程都是实现这些目标的关键技术。传统的同步编程模型在执行长时间操作时会阻塞当前线程，导致应用程序无法响应其他请求或用户交互，从而造成糟糕的用户体验和低效的资源利用。异步编程通过非阻塞的方式处理这些操作，允许程序在等待一个操作完成的同时继续执行其他任务，从而最大限度地提高 CPU 和 I/O 资源的利用率，提升应用程序的性能和响应性。
1.2 async/await 模式的兴起
尽管异步编程带来了诸多好处，但传统的异步编程模式，如回调函数和 Promise 链，往往会导致代码结构复杂、难以理解和维护，即所谓的「回调地狱」（Callback Hell）或「Promise 金字塔」。为了解决这些问题，async/await 模式应运而生，并迅速成为现代编程语言中处理异步操作的主流范式。async/await 通过在语言层面提供特殊的语法糖，使得开发者能够以近乎同步代码的编写方式来编写异步逻辑。async 关键字用于声明一个函数是异步的，而 await 关键字则用于等待一个异步操作的完成。这种模式极大地简化了异步代码的流程控制，使得代码更易于阅读、调试和推理，同时保留了异步编程的性能优势。Swift 5.5、TypeScript (JavaScript ES2017) 和 Python 3.5+ 等主流语言都相继引入了 async/await 机制，反映了其在简化异步编程方面的巨大成功和广泛认可。
2. Swift 5 Async/Await 机制
Swift 5.5 引入的 async/await 机制是 Swift 并发编程模型的核心组成部分，旨在简化异步代码的编写和理解，同时提高代码的安全性和性能 。这一机制通过提供一种结构化的方式来处理异步操作，避免了传统回调函数带来的「回调地狱」（Pyramid of Doom）问题，并使错误处理更加直观 。Swift 的 async/await 构建在语言层面的并发支持之上，与 Task、Actor 等概念紧密集成，为开发者提供了一套强大且易于使用的并发工具集 。
2.1 异步函数的定义与调用
在 Swift 中，异步函数通过在其声明中的参数列表和返回类型之间添加 async 关键字来定义 。如果异步函数可能抛出错误，则还需要在 async 关键字之前或之后（根据 Swift 版本）添加 throws 关键字，形成 async throws 的组合 。例如，一个从网络获取数据的异步函数可以定义为 func fetchData() async throws -> Data 。这种声明方式清晰地表明了函数的异步特性以及其可能失败的行为。调用异步函数时，必须在表达式前使用 await 关键字。await 标记了一个潜在的挂起点（suspension point），表示当前函数的执行可能会暂停，直到被调用的异步操作完成并返回结果 。在 await 表达式执行期间，当前线程不会被阻塞，而是可以被系统用来执行其他任务，这对于保持应用的响应性至关重要，尤其是在主线程上执行 UI 相关操作时 。例如，调用上述 fetchData 函数可以写作 let data = try await fetchData() 。需要注意的是，await 关键字只能在另一个异步函数、异步闭包或者特定并发上下文（如 Task 块）中使用 。Swift 的 async/await 不仅限于函数，还可以应用于计算属性（getter）和初始化器，尽管异步计算属性必须是只读的 。
2.2 结构化并发与 Task
Swift 5.5 引入的并发模型，其核心在于 Task 类型，它代表了一个异步工作的单元 。这个模型旨在简化异步操作的处理，提高代码的可读性和可维护性。Task 不仅仅是一个简单的后台任务封装，它更是一个结构化的并发管理工具。开发者可以通过 Task API 来创建、管理和协调异步任务。Swift 的并发模型强调「结构化并发」，这意味着任务的生命周期与其创建的作用域紧密相关，这有助于避免常见的并发问题，如资源泄漏和竞态条件 。例如，在一个函数中启动一个 Task，当这个函数返回时，其创建的所有 Task 也应该完成或被取消，这种结构化的生命周期管理使得异步代码的逻辑更加清晰。Task 的设计允许开发者以更自然的方式编写异步代码，使其看起来更像是同步代码，从而降低了理解和调试的复杂度 。
Task 可以携带返回值，也可以抛出错误，这使得异步操作的结果处理更加方便。Swift 并发模型中的 Task 还支持层级关系，即一个 Task 可以创建子 Task，这种层级结构有助于管理任务的取消和优先级继承。例如，如果一个父 Task 被取消，那么它的所有子 Task 也会被自动取消，这为复杂的异步操作提供了便捷的资源管理和错误处理机制 。此外，Task 还提供了诸如 Task.sleep() 和 Task.detached 等API，用于执行常见的异步操作或创建与当前任务无关的独立任务 。Swift 的并发模型还引入了 async let 绑定和 TaskGroup 等概念，用于更便捷地处理并发执行多个异步任务 。async let 允许在同一个作用域内并发启动多个异步操作，并等待它们全部完成。而 TaskGroup 则提供了一种更灵活的方式来管理一组动态数量的并发任务。这些机制都构建在 Task 的基础之上，共同构成了 Swift 结构化并发的核心。
2.3 并发执行与性能
Swift 的 async/await 机制旨在提高并发执行的效率和代码的可读性。通过 await 关键字，异步函数可以在等待操作完成时挂起，从而释放当前线程以供其他任务使用，这避免了线程阻塞，提高了系统的整体吞吐量 。当使用 async let 或 TaskGroup 启动多个并发任务时，如果系统资源允许，这些任务可以真正并行执行，从而显著缩短总执行时间 。例如，在一个案例中，使用 async/await 并发获取三个城市的数据（循环50次）仅需约0.00047秒，而使用传统的「回调地狱」方式串行获取单个城市50次数据则需要约0.017秒，性能提升显著 。Swift 运行时会管理一个协作式线程池，通常线程数量与 CPU 核心数相关 。在 Swift 并发模型中，async 函数在编译时会被转换为一个状态机（state machine） 。每个 await 表达式都代表一个潜在的中断点，编译器会将函数分割成多个可独立调度的「作业（jobs）」或「部分任务（partial tasks）」 。
然而，需要注意的是，将函数标记为 async 并非没有代价。异步函数在内部使用与同步函数不同的调用约定，这可能导致轻微的性能开销，即使函数实际上并未挂起 。编译器在编译时无法确定 await 调用是否会真正挂起，因此统一采用这种开销稍大的调用约定 。如果异步函数确实发生了挂起，挂起和恢复操作本身也会带来一定的性能成本，但这通常与通过并发获得的性能提升相比是微不足道的 。重要的是，await 并不会像某些旧的并发模式（如 DispatchQueue.main.async { … }）那样等待一个运行循环（runloop）的 tick 才继续执行，如果代码没有挂起，它会立即执行 。在单核处理器上，虽然真正的并行性无法实现，但 async/await 仍然可以通过协作式并发带来好处，尤其是在处理 I/O 密集型任务时 。然而，对于 CPU 密集型的同步代码，在单核上使用 async/await 可能反而会因为挂起点的开销而降低性能，除非在同步代码中周期性地调用 await Task.yield() 来主动让出执行权 。因此，在使用 async/await 时，应避免不必要的 async 标记，并谨慎处理可能阻塞线程的同步操作，尤其是在 Swift 并发模型的协作线程池中 。
2.4 错误处理机制
Swift 的 async/await 机制与语言原生的错误处理模型紧密集成，使得异步代码中的错误处理更加直观和安全 。异步函数可以通过在声明中添加 throws 关键字来表明其可能抛出错误，例如 func fetchData() async throws -> Data 。调用这样的异步函数时，需要使用 try await 组合关键字 。错误处理通常通过 do-catch 语句块来完成，这与同步代码中的错误处理方式一致 。在 do 块中，可以调用可能抛出错误的异步函数，并使用 try await。如果函数抛出错误，执行会立即跳转到相应的 catch 块，开发者可以在这里处理错误或将其继续向上传递 。这种处理方式比基于回调的异步代码中常见的 Result 类型或嵌套的错误检查逻辑更为清晰和简洁 。
do {
let data = try await fetchDataFromServer()
// 处理 data
} catch {
// 处理错误
print("An error occurred: (error)")
}此外，Swift 还提供了 try? 和 try! 两种简化的错误处理方式。try? 会将错误转换为可选值，如果发生错误则结果为 nil。try! 则会在发生错误时触发运行时错误，应仅在确定操作不会失败时使用 。这种统一的错误处理机制，使得异步代码的编写和阅读更加流畅，减少了因错误处理不当而引入的 bug。
2.5 阻塞行为与任务挂起
在 Swift 的 async/await 模型中，await 关键字的使用是实现非阻塞异步操作的关键。当一个异步函数执行到 await 表达式时，当前任务（Task）会被挂起（suspended），而不是阻塞（blocking）当前线程 。这意味着执行该任务的线程可以被释放出来去处理其他工作，例如响应 UI 事件或执行其他异步任务，从而保证了应用程序的响应性和整体性能 。这与传统的同步编程中，长时间运行的任务会独占线程导致界面冻结或无法处理其他请求的情况形成了鲜明对比 。任务挂起是 Swift 并发模型中的一个核心概念，它允许在等待异步操作（如网络请求、文件 I/O 或复杂计算）完成的过程中，有效地利用系统资源。当一个被 await 标记的异步操作完成后，系统会在合适的时机恢复之前挂起的任务，继续执行后续代码 。这个过程对于开发者来说是透明的，代码的逻辑流仍然保持清晰，就像在编写同步代码一样。
重要的是，await 并不会导致当前线程休眠或忙等待，而是将控制权交还给 Swift 的并发运行时系统，由运行时系统来调度其他可执行的任务。这种机制确保了即使在单一线程上，也能通过任务切换来实现并发效果。例如，在 iOS 应用的主线程上，如果一个异步任务被挂起，主线程可以立即去处理用户交互或更新 UI，而不会被长时间阻塞，这对于保持应用的流畅性至关重要 。Swift 的并发模型通过这种非阻塞的挂起机制，使得开发者可以编写出既高效又易于理解的异步代码。开发者不再需要手动管理线程或使用复杂的回调函数来处理异步操作的结果。async/await 语法糖的引入，使得异步代码的编写方式更接近同步代码的直观性，极大地降低了异步编程的门槛和出错的可能性 。需要注意的是，虽然 await 挂起任务而不阻塞线程，但在一个 Task 内部，多个连续的 await 调用默认是顺序执行的，即一个异步操作完成后才会开始下一个 。若要实现并发执行多个异步操作，则需要使用 async let 或 TaskGroup 等结构化并发特性 。
3. TypeScript (JavaScript) Async/Await 机制
TypeScript (以及其底层的 JavaScript) 中的 async/await 机制是建立在 Promise 对象之上的语法糖，旨在简化异步操作的处理，使代码更易于阅读和维护 。
3.1 异步函数的定义与调用
在 TypeScript (以及 JavaScript) 中，异步函数是通过在函数声明前添加 async 关键字来定义的 。这个 async 关键字主要完成两件事情：首先，它确保函数始终返回一个 Promise 对象。如果函数显式返回一个值，该值会自动被包装成一个已解决的 (resolved) Promise；如果函数抛出错误，则会返回一个被拒绝的 (rejected) Promise 。其次，它允许在函数体内使用 await 关键字。await 操作符用于等待一个 Promise 完成（无论是解决还是拒绝）。当 await 一个 Promise 时，函数的执行会暂停，但不会阻塞 JavaScript 的单线程事件循环 。一旦 Promise 完成，函数的执行会恢复，并且 await 表达式会返回 Promise 的结果值（如果 Promise 被解决）或抛出错误（如果 Promise 被拒绝）。调用异步函数时，可以直接像调用普通函数一样调用它，但由于它返回的是一个 Promise，因此通常需要使用 await 来获取其最终结果，或者使用 .then() 和 .catch() 方法来处理 Promise 的解决和拒绝。
3.2 基于 Promise 的实现
TypeScript (以及 JavaScript) 中的 async/await 机制是建立在 Promise 对象之上的语法糖 。Promise 代表了一个异步操作的最终完成或失败及其结果值。async 关键字用于声明一个函数是异步的，这意味着该函数会返回一个 Promise。如果 async 函数显式返回一个值，该值会被自动包装成一个已解决 (resolved) 的 Promise；如果 async 函数抛出错误，则会返回一个已拒绝 (rejected) 的 Promise。这种设计使得 async 函数可以方便地与现有的基于 Promise 的 API 和库进行交互，同时也使得异步操作的链式调用和错误传播更加直观。await 关键字则用于等待一个 Promise 完成。它只能在 async 函数内部使用。当 await 一个 Promise 时，async 函数的执行会暂停，直到该 Promise 被解决或拒绝。如果 Promise 被解决，await 表达式会返回 Promise 解决的值；如果 Promise 被拒绝，await 表达式会抛出拒绝的原因（通常是一个错误对象）。这使得异步代码的编写风格更接近于同步代码，避免了传统回调函数带来的「回调地狱」问题，提高了代码的可读性和可维护性 。
3.3 事件循环与非阻塞 I/O
JavaScript 是单线程的，这意味着它一次只能执行一段代码。为了处理异步操作（如 I/O 操作、定时器等）而不阻塞主线程，JavaScript 引擎依赖于事件循环 (Event Loop) 机制 。事件循环持续检查调用栈 (Call Stack) 和任务队列 (Task Queues，包括微任务队列 Microtask Queue 和宏任务队列 Macrotask Queue)。当调用栈为空时，事件循环会从任务队列中取出一个任务并将其推入调用栈执行。async/await 的行为与这个事件循环模型紧密相关。当一个 async 函数执行到 await 表达式时，如果等待的 Promise 尚未完成，该 async 函数会暂停执行，并且其后续代码会被安排为一个微任务（通常，Promise 的回调属于微任务），等待 Promise 解决后执行 。重要的是，这个暂停操作不会阻塞事件循环本身。事件循环在 async 函数等待期间仍然是活动的，可以继续处理其他任务，如 UI 渲染、处理用户交互或其他异步操作的回调 。这种非阻塞行为对于构建响应式的应用程序至关重要，确保了 JavaScript 应用即使在处理耗时的异步操作时也能保持流畅和响应。
3.4 错误处理机制
在 TypeScript (以及 JavaScript) 中，async/await 的错误处理机制主要依赖于传统的 try...catch 语句块 。当一个 async 函数内部使用 await 等待一个 Promise 时，如果该 Promise 被拒绝 (rejected)，await 表达式会抛出一个错误。这个错误可以被包裹该 await 表达式的 try...catch 块捕获。这种错误处理方式与同步代码中的错误处理非常相似，使得异步代码的错误处理逻辑更加集中和易于理解 。例如，如果一个网络请求失败，相关的 fetch 调用返回的 Promise 会被拒绝，await fetch(...) 就会抛出错误，开发者可以在 catch 块中处理这个网络错误。虽然 try...catch 是处理 async/await 错误的主要方式，但需要注意的是，如果 async 函数内部没有使用 try...catch 来捕获 await 表达式的错误，或者 Promise 的拒绝发生在 try...catch 块之外，那么这个 async 函数返回的 Promise 本身将会被拒绝，并且错误原因会被传递到调用该 async 函数的地方。这意味着错误可以在异步调用链中向上冒泡，直到被某个 try...catch 块捕获，或者如果一直没有被捕获，则可能导致未处理的 Promise 拒绝。
3.5 并发执行与性能考量
在 TypeScript (JavaScript) 中，虽然 async/await 使得异步代码的编写更加直观，看起来像是同步执行，但默认情况下，在同一个 async 函数内部，多个 await 语句是顺序执行的 。也就是说，第一个 await 表达式会等待其 Promise 解决后，才会执行到第二个 await 表达式。这种顺序执行的方式在某些场景下是符合逻辑的，但如果多个异步操作之间没有依赖关系，顺序执行会导致不必要的延迟。为了实现多个异步操作的并发执行，可以利用 Promise.all() 方法 。Promise.all() 接受一个 Promise 数组作为参数，并返回一个新的 Promise。这个新的 Promise 会在所有输入的 Promise 都成功解决后解决，其结果是一个包含所有输入 Promise 解决值的数组。通过 await Promise.all([asyncCall1(), asyncCall2()]) 的方式，可以等待所有并发任务完成，总的等待时间接近于耗时最长的那个任务，从而显著提升性能。然而，滥用或不当使用 async/await 也可能引入性能瓶颈 。例如，在循环中错误地使用 await 会导致每次迭代都等待前一个异步操作完成，从而将并发操作退化为顺序执行。
4. Python Async/Await 机制
Python 从 3.5 版本开始引入了 async/await 语法，用于简化异步编程，特别是在处理 I/O 密集型任务时 。其核心是 asyncio 库，它提供了事件循环和协程等基础设施。
4.1 异步函数的定义与调用 (async def, await)
在 Python 中，异步函数通过 async def 关键字进行定义，而不是传统的 def 。当一个函数被定义为 async def 时，它被称为协程（coroutine）。调用一个 async def 函数并不会立即执行其函数体，而是返回一个协程对象 。这个协程对象需要被调度到事件循环中才能实际运行。在异步函数内部，可以使用 await 关键字来等待另一个可等待对象（awaitable）的完成 。可等待对象通常是另一个协程、一个 asyncio.Task 或者一个 asyncio.Future。当 await 表达式被执行时，当前协程的执行会被挂起，事件循环会去执行其他任务。被 await 的可等待对象完成后，事件循环会在适当的时机恢复当前协程的执行，并返回其结果。要实际运行一个协程，Python 提供了几种机制，最常用的是 asyncio.run() 函数，它用于运行最高层级的入口点协程，并管理事件循环的创建和关闭 。
4.2 asyncio 库与协程
Python 的异步编程能力主要由 asyncio 库提供支持，该库在 Python 3.4 版本引入，并在后续版本中不断得到增强 。asyncio 提供了一个框架，用于编写单线程并发代码，主要利用协程（coroutines）、事件循环（event loop）、Future 对象以及各种异步 I/O 原语。协程是 asyncio 的核心概念，通过 async def 定义的函数就是协程。协程与生成器类似，可以在执行过程中暂停 (await) 和恢复，这使得它们非常适合处理 I/O 密集型操作 。事件循环是 asyncio 应用的中央执行器。它负责调度和执行协程，处理网络 I/O. 运行子进程以及操作系统信号等事件。开发者通常不会直接与事件循环的底层 API 交互，而是使用像 ✅asyncio.run() 这样的高级函数来启动和管理事件循环 。asyncio 提供了多种工具来管理并发任务，例如 asyncio.create_task() 可以将协程包装成一个 Task 对象，Task 是 Future 的子类，代表一个正在运行或计划运行的协程。
4.3 事件循环与协作式多任务
Python 的 async/await 机制，特别是与 asyncio 库结合使用时，其核心是事件循环 (Event Loop) 和协作式多任务 (Cooperative Multitasking) 。事件循环是 asyncio 应用的核心调度器，它负责管理和执行协程，处理 I/O 事件、定时器以及其他系统事件。当一个 Python 程序启动一个 asyncio 事件循环（通常通过 asyncio.run()），事件循环会持续运行，直到所有预定的任务完成或事件循环被显式停止。在事件循环的每一轮迭代中，它会检查是否有就绪的协程可以运行，然后选择其中一个并执行它。如果这个协程执行到 await 表达式并需要等待，它会挂起自己并将控制权返还给事件循环。这种由协程主动让出控制权的并发方式称为协作式多任务 。与操作系统内核管理的抢占式多任务不同，在协作式多任务中，一个协程会一直运行，直到它自愿地通过 await、async for 或 async with 将控制权交还给事件循环 。这种方式的优点是上下文切换的开销较小，但需要开发者确保协程适时让出控制权，以避免「饿死」其他协程。
4.4 错误处理机制
在 Python 的 asyncio 异步编程模型中，错误处理主要依赖于标准的 try...except 语句块，这与同步代码中的错误处理方式非常相似 。当一个协程中发生异常时，如果该异常没有被协程内部的 try...except 块捕获，它将会传播到调用该协程的地方，或者如果该协程是一个 Task，异常会被捕获并存储在 Task 对象中。如果异常一直未被处理，最终可能会导致事件循环停止并报告未处理的异常。因此，在编写异步代码时，与同步代码一样，需要仔细考虑可能发生的异常，并使用 try...except 进行适当的错误处理 。例如，如果一个异步操作可能失败并抛出异常，开发者应该将 await 该操作的语句包裹在 try 块中，并在相应的 except 块中处理特定的异常类型 。asyncio 本身也定义了一些特定的异常类型，例如 asyncio.CancelledError，当取消一个正在运行的 Task 时会引发此异常，正确处理它对于实现优雅的任务取消和资源清理非常重要 。
4.5 并发执行与性能分析
Python 的 asyncio 库通过事件循环和协程实现了单线程内的并发执行，这对于 I/O 密集型应用（如网络服务器、Web 爬虫、微服务等）的性能提升尤为显著 。当一个协程执行到 await 表达式等待 I/O 操作完成时，它会挂起并释放控制权给事件循环，事件循环随后可以调度和执行其他就绪的协程。这种协作式多任务处理方式避免了多线程编程中常见的锁竞争和上下文切换开销。要实现多个异步任务的并发执行，可以将它们包装成 asyncio.Task 对象，或者使用 asyncio.gather()、asyncio.wait() 等函数 。然而，关于异步 Python 的性能，存在一些需要注意的方面。有分析指出，异步 Python 框架的吞吐量可能并不总是优于经过优化的同步框架，且在高负载下，异步 Python 的延迟波动可能更大，因为协作式多任务可能导致执行时间分配不公平 。因此，虽然 async/await 为 I/O 密集型应用带来了显著的并发能力，但在 CPU 密集型任务或需要严格控制延迟的场景下，开发者需要仔细评估和测试其性能表现，并注意避免常见的性能瓶颈，如阻塞操作和资源饥饿 。
5. 横向对比：Swift, TypeScript, Python
为了更清晰地比较 Swift 5、TypeScript (JavaScript) 和 Python 在 async/await 机制上的异同，下表总结了它们在关键特性上的对比：
| 特性 | Swift 5 | TypeScript (JavaScript) | Python (asyncio) |
| —————- | ———————————————————————– | ———————————————————————————— | [48;25;80;950;1600t———————————————————————————— |
| 异步函数定义 | func foo() async { ... } 或 func foo() async throws { ... } | async function foo() { ... } | async def foo(): ... |
| 异步调用 | await foo() | await foo() | await foo() |
| 底层机制 | 结构化并发 (Task), 状态机, 续体 (continuation) | 基于 Promise, 事件循环 (Event Loop) | 协程 (Coroutines), 事件循环 (Event Loop), asyncio 库 |
| 并发模型 | 结构化并发 (TaskGroup, async let), Actor 模型 | 单线程事件循环驱动, 基于 Promise.all() 等实现并发 | 协作式多任务 (Cooperative Multitasking), 单线程事件循环驱动 |
| 并发执行位置 | Swift 运行时管理的协作线程池 (通常与 CPU 核心数相关) | 主线程 (UI 线程) 或 Worker 线程 (Node.js 或 Web Workers), 由事件循环调度 | 主线程 (通常), 由 asyncio 事件循环调度 |
| 阻塞行为 | 非阻塞。await 导致任务挂起，释放线程，不阻塞线程 。 | 非阻塞。await 暂停 async 函数执行，将控制权交还事件循环，不阻塞主线程 。 | 非阻塞。await 挂起协程，将控制权交还事件循环，不阻塞线程 。 |
| 错误处理 | do { try await ... } catch { ... } (与同步错误处理一致) | try { await ... } catch (error) { ... } (与同步错误处理一致) | try: await ... except ErrorType: ... (与同步错误处理一致) |
| 性能特点 | 高效线程利用，避免回调地狱。轻微挂起/恢复开销，编译时状态机转换 。 | 单线程高效处理 I/O. 避免阻塞。依赖事件循环调度。 | 高效处理 I/O 密集型任务，减少线程开销。协作式调度可能导致延迟波动 。 |✅
| 主要适用场景 | iOS/macOS 等 Apple 平台应用开发，服务器端 Swift (Vapor 等) | Web 前端 (浏览器), Node.js 后端服务，I/O 密集型应用 | I/O 密集型网络应用 (服务器、爬虫、API 客户端), 微服务 |
Table 1: Swift 5, TypeScript, 和 Python Async/Await 机制对比
5.1 异步编程模型对比
Swift 5 采用了结构化并发模型，其核心是 Task 类型，它代表一个异步工作的单元，并且任务的生命周期与其创建的作用域紧密相关 。Swift 还引入了 Actor 模型来处理共享可变状态，确保线程安全。TypeScript (JavaScript) 的异步模型是基于事件循环和 Promise 的，它是单线程的，通过事件循环来处理异步任务的调度和执行，async/await 是其语法糖 。Python 的异步模型则依赖于 asyncio 库和协程，同样采用事件循环机制，但强调协作式多任务，即协程必须主动通过 await 让出控制权 。这三种模型都旨在简化异步编程，但 Swift 的结构化并发和 Actor 模型在语言层面提供了更强的并发安全保证，而 TypeScript 和 Python 更多地依赖于事件循环和开发者遵循协作原则。
5.2 并发执行位置与机制差异
Swift 的并发任务在由运行时管理的协作线程池中执行，线程数量通常与 CPU 核心数相关，await 挂起任务但不阻塞底层线程 。并发执行可以通过 async let 和 TaskGroup 显式启动。TypeScript (JavaScript) 主要在单一线程（通常是主线程或 Node.js 的事件循环线程）上执行，通过事件循环实现非阻塞并发；await 暂停 async 函数，但不阻塞事件循环 。并发执行多个异步操作通常依赖 Promise.all()。Python 的协程在 asyncio 事件循环管理的单一线程（通常是主线程）上执行，通过协作式多任务实现并发；await 挂起协程，允许事件循环运行其他协程 。并发执行通过 asyncio.gather() 或创建多个 Task 实现。Swift 的线程池模型允许真正的并行执行（在多核 CPU 上），而 TypeScript 和 Python 的事件循环模型在单一线程上通过任务切换实现并发，尽管 Python 的 asyncio 也可以配置为使用线程池执行器来处理某些阻塞操作。
5.3 错误处理方式的异同
三者在错误处理上都采用了与同步代码相似的 try-catch (或 try-except) 结构，这使得异步代码的错误处理更加直观和统一。Swift 使用 do-catch 块配合 try await 来捕获和处理异步函数抛出的错误 。TypeScript (JavaScript) 同样使用 try-catch 块来捕获 await 表达式可能抛出的错误，这些错误通常源于被拒绝的 Promise 。Python 也使用 try-except 块来捕获 await 表达式中协程或异步操作引发的异常 。这种一致性降低了学习成本，并使得异步代码的错误处理逻辑更加清晰。不同之处可能在于特定语言或库提供的额外错误处理工具或模式，例如 Swift 的 Result 类型（虽然 async/await 更推荐直接使用 throws）或 Python asyncio 中 Task 对象对异常的封装和处理方式。
5.4 性能与阻塞行为对比
三者都强调非阻塞行为。Swift 的 await 导致任务挂起，释放线程给其他任务使用，不阻塞线程 。TypeScript (JavaScript) 的 await 暂停 async 函数执行，将控制权交还事件循环，不阻塞主线程，保证了应用的响应性 。Python 的 await 挂起协程，将控制权交还事件循环，同样不阻塞线程，使得事件循环可以处理其他任务 。在性能方面，Swift 通过结构化并发和优化的运行时（如状态机转换和续体）旨在提供高效的并发执行，特别适合利用多核处理器，但也需要注意挂起和恢复的开销以及避免在异步上下文中执行长时间阻塞操作 。TypeScript (JavaScript) 在单线程事件循环模型下，通过非阻塞 I/O 高效处理大量并发连接，但 CPU 密集型任务会阻塞事件循环。Python 的 asyncio 在 I/O 密集型场景下性能优越，能有效管理大量并发 I/O 操作，但协作式多任务特性要求开发者注意避免长时间运行而不让出控制权的协程，否则可能导致性能问题或延迟波动 。对于 CPU 密集型任务，Python 通常建议使用多进程。
5.5 适用场景与生态系统
Swift 的 async/await 主要应用于 Apple 生态系统内的 iOS、macOS 等平台的应用开发，以及日益增长的服务器端 Swift 开发（如 Vapor 框架）。其强类型系统和结构化并发模型有助于构建安全、高效的并发应用。TypeScript (JavaScript) 的 async/await 广泛应用于 Web 前端开发和 Node.js 后端开发，处理浏览器中的异步 UI 更新、网络请求以及服务器端的高并发 I/O 操作。其庞大的 npm 生态系统提供了丰富的异步库。Python 的 async/await 结合 asyncio 库，非常适合构建 I/O 密集型的网络应用，如 Web 服务器（FastAPI, Sanic）、网络爬虫、API 客户端以及微服务。Python 的异步生态系统也在不断发展，拥有如 aiohttp、aiomysql 等优秀的异步库。选择哪种语言和机制取决于具体的项目需求、目标平台、团队熟悉度以及生态系统支持。
6. Demo Code 示例
以下将分别展示 Swift 5, TypeScript, 和 Python 在 async/await 使用上的基本示例，涵盖异步函数定义与调用、并发执行多个异步任务以及错误处理。
6.1 Swift 5 示例
6.1.1 基本异步函数定义与调用
// 定义一个异步函数，模拟网络请求
func fetchUserData(from urlString: String) async throws -> String {
guard let url = URL(string: urlString) else {
throw URLError(.badURL)
}
// 使用 URLSession 的异步 data(from:) 方法
let (data, _) = try await URLSession.shared.data(from: url)
if let result = String(data: data, encoding: .utf8) {
return result
} else {
throw URLError(.cannotDecodeContentData)
}
}
// 调用异步函数
Task {
do {
let userData = try await fetchUserData(from: "https://api.example.com/user/1")
print("Fetched user data: (userData)")
} catch {
print("Failed to fetch user data: (error)")
}
}这段 Swift 代码定义了一个 fetchUserData 异步函数，它接受一个 URL 字符串，尝试从中获取数据并转换为字符串。如果 URL 无效或数据无法解码，它会抛出错误。在 Task 块中，我们使用 try await 调用这个异步函数，并通过 do-catch 处理可能的错误。
6.1.2 并发执行多个异步任务 (async let, TaskGroup)
// 使用 async let 并发执行
func fetchMultipleDataConcurrently() async {
async let data1 = fetchUserData(from: "https://api.example.com/data1")
async let data2 = fetchUserData(from: "https://api.example.com/data2")
do {
let (result1, result2) = try await (data1, data2)
print("Data 1: (result1)")
print("Data 2: (result2)")
} catch {
print("Error fetching data concurrently: (error)")
}
}
// 使用 TaskGroup 并发执行
func fetchMultipleDataWithTaskGroup(urls: [String]) async throws -> [String] {
var results: [String] = []
try await withThrowingTaskGroup(of: String.self) { group in
for url in urls {
group.addTask {
try await fetchUserData(from: url)
}
}
for try await result in group {
results.append(result)
}
}
return results
}
// 调用并发函数
Task {
await fetchMultipleDataConcurrently()
do {
let urls = ["https://api.example.com/item/1", "https://api.example.com/item/2"]
let items = try await fetchMultipleDataWithTaskGroup(urls: urls)
print("Fetched items: (items)")
} catch {
print("Error fetching items with TaskGroup: (error)")
}
}这段代码展示了两种在 Swift 中并发执行多个异步任务的方法。fetchMultipleDataConcurrently 使用 async let 来同时启动两个 fetchUserData 调用，然后使用 try await 等待它们都完成。fetchMultipleDataWithTaskGroup 使用 withThrowingTaskGroup 来动态地为一组 URL 创建并发任务，并收集它们的结果。
6.1.3 异步操作中的错误处理
// 错误处理已在上述示例中展示，这里再强调一下 do-catch 的使用
func processUserData() async {
let urlString = "https://api.example.com/invalid-url" // 假设这是一个无效的 URL
do {
let data = try await fetchUserData(from: urlString)
print("Processed data: (data)")
} catch URLError.badURL {
print("The provided URL is invalid.")
} catch URLError.cannotDecodeContentData {
print("Failed to decode the received data.")
} catch {
print("An unexpected error occurred: (error)")
}
}
Task {
await processUserData()
}此示例进一步细化了错误处理。processUserData 函数尝试调用 fetchUserData。如果发生 URLError.badURL 或 URLError.cannotDecodeContentData 错误，会执行特定的 catch 块。其他未知错误会被最后一个通用的 catch 块捕获。这展示了 Swift 中针对不同错误类型进行精细化处理的能力。
6.2 TypeScript 示例
6.2.1 基本异步函数定义与调用
// 定义一个异步函数，模拟网络请求
async function fetchUserData(userId: number): Promise<string> {
// 假设 fetchDataFromServer 是一个返回 Promise<string> 的模拟函数
const response = await fetchDataFromServer(`/users/${userId}`);
if (!response.ok) {
throw new Error(`Failed to fetch user data for ID ${userId}`);
}
return response.data;
}
// 模拟的 fetchDataFromServer 函数
function fetchDataFromServer(url: string): Promise<{ ok: boolean; data: string }> {
return new Promise((resolve, reject) => {
setTimeout(() => {
if (url === '/users/1') {
resolve({ ok: true, data: `Data for user 1` });
} else {
resolve({ ok: false, data: '' }); // 模拟失败
}
}, 1000); // 模拟网络延迟
});
}
// 调用异步函数
(async () => {
try {
const userData = await fetchUserData(1);
console.log('Fetched user data:', userData);
} catch (error) {
console.error('Error fetching user data:', error.message);
}
})();这段 TypeScript 代码定义了一个 fetchUserData 异步函数，它调用一个模拟的 fetchDataFromServer 函数。fetchUserData 使用 await 等待 fetchDataFromServer 返回的 Promise，并根据结果解析数据或抛出错误。调用部分使用 IIFE (Immediately Invoked Function Expression) 来在顶层使用 await。
6.2.2 并发执行多个异步任务 (Promise.all)
async function fetchMultipleUsers(userIds: number[]): Promise<string[]> {
// 创建一个包含多个 fetchUserData 调用的 Promise 数组
const userPromises = userIds.map(id => fetchUserData(id));
// 使用 Promise.all 等待所有 Promise 完成
try {
const usersData = await Promise.all(userPromises);
console.log('Fetched data for all users:', usersData);
return usersData;
} catch (error) {
console.error('Error fetching multiple users:', error.message);
throw error; // 可以选择重新抛出错误或处理
}
}
// 调用并发函数
(async () => {
try {
const userIds = [1, 2, 3]; // 假设 ID 2 会失败
const allUserData = await fetchMultipleUsers(userIds);
console.log('All user data:', allUserData);
} catch {
// 错误已在 fetchMultipleUsers 内部处理或记录
}
})();此示例展示了如何使用 Promise.all 来并发执行多个 fetchUserData 调用。userIds.map(id => fetchUserData(id)) 会立即启动所有请求，返回一个 Promise 数组。await Promise.all(userPromises) 会等待所有这些 Promise 全部完成（或其中一个失败）。如果任何一个 Promise 被拒绝，Promise.all 返回的 Promise 会立即被拒绝，并带有第一个被拒绝的 Promise 的原因。
6.2.3 异步操作中的错误处理
// 错误处理已在上述示例中展示，这里再强调一下 try-catch 的使用
async function updateUserProfile(userId: number, updateData: any) {
try {
// 假设 saveUserProfile 是一个返回 Promise<void> 的异步函数
await saveUserProfile(userId, updateData);
console.log(`Profile for user ${userId} updated successfully.`);
} catch (error) {
if (error instanceof SpecificDBError) { // 假设有一个特定的数据库错误类型
console.error(`Database error while updating profile for user ${userId}:`, error.message);
// 可能的恢复逻辑或重试机制
} else {
console.error(`General error updating profile for user ${userId}:`, error.message);
throw error; // 重新抛出未知错误
}
}
}
// 模拟的 saveUserProfile 函数，可能抛出错误
async function saveUserProfile(userId: number, data: any): Promise<void> {
return new Promise((resolve, reject) => {
setTimeout(() => {
if (userId === 1) {
resolve();
} else {
reject(new SpecificDBError('Failed to save to database.'));
}
}, 500);
});
}
class SpecificDBError extends Error {
constructor(message: string) {
super(message);
this.name = 'SpecificDBError';
}
}
// 调用函数
(async () => {
await updateUserProfile(1, { name: 'John Doe' });
await updateUserProfile(2, { name: 'Jane Doe' }); // 这将触发一个 SpecificDBError
})();此示例进一步细化了 TypeScript 中的异步错误处理。updateUserProfile 函数尝试调用 saveUserProfile。它使用 try-catch 来捕获错误，并可以根据错误的具体类型（例如，一个自定义的 SpecificDBError）执行不同的处理逻辑。如果错误不是预期的类型，它可以被重新抛出。
6.3 Python 示例
6.3.1 基本异步函数定义与调用
import asyncio
# 定义一个异步函数，模拟网络请求
async def fetch_user_data(user_id: int) -> str:
# 假设 fetch_data_from_server 是一个返回 str 的异步函数
response = await fetch_data_from_server(f"/users/{user_id}")
if not response.startswith("Data for user"):
raise ValueError(f"Failed to fetch user data for ID {user_id}")
return response
# 模拟的 fetch_data_from_server 异步函数
async def fetch_data_from_server(url: str) -> str:
await asyncio.sleep(1) # 模拟网络延迟
if url == "/users/1":
return f"Data for user 1"
else:
return "Error: Not found"
# 调用异步函数
async def main():
try:
user_data = await fetch_user_data(1)
print(f"Fetched user data: {user_data}")
except ValueError as e:
print(f"Error: {e}")
asyncio.run(main())这段 Python 代码使用 async def 定义了一个 fetch_user_data 协程，它调用一个模拟的 fetch_data_from_server 协程。fetch_user_data 使用 await 等待 fetch_data_from_server 的结果，并根据结果返回数据或引发异常。asyncio.run(main()) 是运行顶层协程的标准方式。
6.3.2 并发执行多个异步任务 (asyncio.gather)
import asyncio
async def fetch_multiple_users(user_ids: list[int]) -> list[str]:
# 创建一个包含多个 fetch_user_data 调用的协程对象列表
tasks = [fetch_user_data(uid) for uid in user_ids]
# 使用 asyncio.gather 并发运行所有协程并收集结果
try:
users_data = await asyncio.gather(*tasks)
print(f"Fetched data for all users: {users_data}")
return users_data
except ValueError as e: # 假设所有错误都是 ValueError
print(f"Error fetching multiple users: {e}")
# 注意：如果 gather 中某个任务失败，默认会取消其他任务并抛出第一个异常
# 可以通过 return_exceptions=True 来收集所有异常作为结果
# 调用并发函数
async def main_concurrent():
user_ids = [1, 2, 3] # 假设 ID 2 会失败
all_user_data = await fetch_multiple_users(user_ids)
print(f"All user data: {all_user_data}")
asyncio.run(main_concurrent())此示例展示了如何使用 asyncio.gather 来并发执行多个 fetch_user_data 协程。[fetch_user_data(uid) for uid in user_ids] 创建了一个协程对象列表。`await asyncio.gather(tasks)会并发运行这些协程，并等待它们全部完成，返回一个包含所有结果的列表。默认情况下，如果gather中的任何一个协程引发异常，gather会立即取消所有其他未完成的协程，并将该异常传播出去。可以通过return_exceptions=True` 参数来改变此行为，使其收集异常对象作为结果的一部分。*
6.3.3 异步操作中的错误处理
import asyncio
# 错误处理已在上述示例中展示，这里再强调一下 try-except 的使用
async def update_user_profile(user_id: int, update_data: dict) -> None:
try:
# 假设 save_user_profile 是一个异步函数
await save_user_profile(user_id, update_data)
print(f"Profile for user {user_id} updated successfully.")
except SpecificDBError as e: # 假设有一个特定的数据库错误类型
print(f"Database error while updating profile for user {user_id}: {e}")
# 可能的恢复逻辑或重试机制
except Exception as e:
print(f"General error updating profile for user {user_id}: {e}")
raise # 重新抛出未知错误
# 模拟的 save_user_profile 异步函数，可能引发特定错误
async def save_user_profile(user_id: int, data: dict) -> None:
await asyncio.sleep(0.5) # 模拟数据库操作延迟
if user_id == 1:
return
else:
raise SpecificDBError("Failed to save to database.")
class SpecificDBError(Exception):
pass
# 调用函数
async def main_error_handling():
await update_user_profile(1, {"name": "John Doe"})
await update_user_profile(2, {"name": "Jane Doe"}) # 这将触发一个 SpecificDBError
asyncio.run(main_error_handling())此示例进一步细化了 Python 异步编程中的错误处理。update_user_profile 协程尝试调用 save_user_profile。它使用 try-except 块来捕获可能发生的异常。可以针对特定的异常类型（如自定义的 SpecificDBError）编写专门的错误处理逻辑。对于未预期的其他异常，可以选择记录并重新抛出。
7. 总结与展望
7.1 各语言 async/await 机制的核心特点回顾
Swift 5 的 async/await 机制以其结构化并发为核心，通过 Task 类型、Actor 模型以及对编译器层面状态机和续体的运用，提供了强大且安全的异步编程能力。它强调非阻塞的任务挂起，旨在提高代码的可读性、可维护性和性能，尤其在 Apple 平台开发中展现出巨大潜力。其错误处理与 Swift 原生 throws/catch 机制无缝集成，保持了代码风格的一致性。
TypeScript (JavaScript) 的 async/await 是建立在成熟的 Promise 和事件循环机制之上的语法糖。它极大地简化了基于 Promise 的异步代码编写，使其更接近同步风格，从而改善了代码的可读性和可维护性。其核心优势在于单线程非阻塞 I/O 处理，非常适合 Web 前端和 Node.js 后端开发。错误处理同样采用 try/catch 结构，与同步代码保持一致。
Python 的 async/await 机制则与 asyncio 库和协程紧密绑定，通过事件循环和协作式多任务来实现异步编程。它特别适用于 I/O 密集型应用，如网络服务器和爬虫，能够有效地管理大量并发连接。Python 的异步编程模型要求开发者理解并遵循协作原则，适时让出控制权。错误处理也采用 try/except 结构，与同步代码风格统一。
7.2 未来异步编程发展趋势
异步编程已经成为现代软件开发不可或缺的一部分，而 async/await 模式无疑是当前及未来一段时间内的主流趋势。展望未来，我们可以预见以下几个发展方向：
- 语言和框架的进一步整合与优化：各语言会继续优化其
async/await的实现，减少潜在的性能开销，提供更强大的并发原语和工具。例如，Swift 可能会进一步增强Actor模型和结构化并发的易用性。Python 的asyncio库和相关的异步生态也会持续成熟。 - 更智能的并发调度和管理：运行时系统和编译器可能会引入更智能的调度算法，以更好地利用多核处理器，自动优化任务分配和负载均衡，同时简化开发者的并发控制负担。
- 异步编程范式的普及和标准化：随着更多开发者熟悉
async/await，它将成为更广泛应用的编程范式，不仅在服务器端和客户端，也可能在更多领域（如数据处理、机器学习模型推理等）发挥作用。跨语言的异步编程接口或标准也可能出现，以促进不同系统间的互操作性。 - 错误处理和可观测性的增强：异步代码的调试和错误追踪一直是一个挑战。未来的工具和框架可能会提供更强大的异步堆栈追踪、可视化调试以及更精细化的错误报告和监控能力，帮助开发者更轻松地构建和维护复杂的异步系统。
- 与响应式编程、数据流编程的融合：
async/await主要解决的是单个异步操作的等待问题。未来可能会看到它与响应式编程（如 RxJS, Combine）或数据流编程模型更紧密地结合，以处理更复杂的异步数据流和事件流场景。
总而言之，异步编程将继续朝着更简单、更高效、更安全的方向发展，async/await 作为其中的核心机制，将持续演进并赋能开发者构建更高性能、更可靠的应用程序。