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Java21 中的虚拟线程

article 2024/11/15 4:19:24

在以前的JDK中，Java的线程模型其实比较简单，在大多数操作系统中，主要采用的是基于轻量级进程实现的一对一的线程模型，简单来说就是每一个Java线程对应一个操作系统中的轻量级进程，这种线程模型中的线程创建、析构及同步等动作，都需要进行系统调用。而系统调用则需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换，所以性能开销还是很大的。
而新引入的虚拟线程，是JDK 实现的轻量级线程，他可以避免上下文切换带来的的额外耗费。他的实现原理其实是JDK不再是每一个线程都一对一的对应一个操作系统的线程了，而是会将多个虚拟线程映射到少量操作系统线程中，通过有效的调度来避免那些上下文切换。

创建需虚拟线程的方法

在JDK 21，有多种方法可以创建协程，如Thread.startVirtualThread()、Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()等。

线程的实现方式

在操作系统中，线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源，又可以独立调度。
其实，线程的实现方式主要有三种：分别是使用内核线程实现、使用用户线程实现以及使用用户线程加轻量级进程混合实现。

Java的线程实现

以上讲的是操作系统的线程的实现的三种方式，不同的操作系统在实现线程的时候会采用不同的机制，比如windows采用的是内核线程实现的，而Solaris则是通过混合模式实现的。而Java作为一门跨平台的编程语言，实际上他的线程的实现其实是依赖具体的操作系统的。而比较常用的windows和linux来说，都是采用的内核线程的方式实现的。也就是说，当我们在JAVA代码中创建一个Thread的时候，其实是需要映射到操作系统的线程的具体实现的，因为常见的通过内核线程实现的方式在创建、调度时都需要进行内核参与，所以成本比较高，尽管JAVA中提供了线程池的方式来避免重复创建线程，但是依旧有很大的优化空间。而且这种实现方式意味着受机器资源的影响，平台线程数也是有限制的。

虚拟线程

DK 21引入的虚拟线程，是JDK 实现的轻量级线程，他可以避免上下文切换带来的额外耗费。他的实现原理其实是JDK不再是每一个线程都一对一的对应一个操作系统的线程了，而是会将多个虚拟线程映射到少量操作系统线程中，通过有效的调度来避免那些上下文切换。

而且，我们可以在应用程序中创建非常多的虚拟线程，而不依赖于平台线程的数量。这些虚拟线程是由JVM管理的，因此它们不会增加额外的上下文切换开销，因为它们作为普通Java对象存储在RAM中。

虚拟线程和平台线程的区别

        首先，虚拟线程总是守护线程。setDaemon (false)方法不能将虚拟线程更改为非守护线程。所以，需要注意的是，当所有启动的非守护线程都终止时，JVM将终止。这意味着JVM不会等待虚拟线程完成后才退出。

        其次，即使使用setPriority()方法，虚拟线程始终具有normal的优先级，且不能更改优先级。在虚拟线程上调用此方法没有效果。

        还有就是，虚拟线程是不支持stop()、suspend()或resume()等方法。这些方法在虚拟线程上调用时会抛出UnsupportedOperationException异常。

如何使用

通过Thread.startVirtualThread()可以运行一个虚拟线程：

Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("虚拟线程执行中...");
});

通过Thread.Builder也可以创建虚拟线程，Thread类提供了ofPlatform()来创建一个平台线程、ofVirtual()来创建虚拟线程。

Thread.Builder platformBuilder = Thread.ofPlatform().name("平台线程");
Thread.Builder virtualBuilder = Thread.ofVirtual().name("虚拟线程");

Thread t1 = platformBuilder .start(() -> {...}); 
Thread t2 = virtualBuilder.start(() -> {...});

线程池也支持了虚拟线程，可以通过Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()来创建虚拟线程：

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    IntStream.range(0, 10000).forEach(i -> {
        executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
            return i;
        });
    });
}

其实并不建议虚拟线程和线程池一起使用，因为Java线程池的设计是为了避免创建新的操作系统线程的开销，但是创建虚拟线程的开销并不大，所以其实没必要放到线程池中。

性能差异

final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

Runnable runnable = () -> {
  try {
    Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
  } catch(Exception e) {
      System.out.println(e);
  }
  System.out.println("Work Done - " + atomicInteger.incrementAndGet());
};

现在，我们将从这个Runnable创建10,000个线程，并使用虚拟线程和平台线程执行它们，以比较两者的性能。

先来我们比较熟悉的平台线程的实现：

Instant start = Instant.now();

try (var executor = Executors.newFixedThreadPool(100)) {
  for(int i = 0; i < 10_000; i++) {
    executor.submit(runnable);
  }
}
总耗时大概100秒左右。
Instant finish = Instant.now();
long timeElapsed = Duration.between(start, finish).toMillis();  
System.out.println("总耗时 : " + timeElapsed);

总耗时大概100秒左右。接下来再用虚拟线程跑一下看看

Instant start = Instant.now();

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
  for(int i = 0; i < 10_000; i++) {
    executor.submit(runnable);
  }
}

Instant finish = Instant.now();
long timeElapsed = Duration.between(start, finish).toMillis(); 
//总耗时大概1.6秒左右。 
System.out.println("总耗时 : " + timeElapsed);

100秒和1.6秒的差距，足以看出虚拟线程的性能提升还是立竿见影的。

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