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【Java】虚拟线程与Java 8普通线程池的对比

article 2024/10/1 19:04:24

文章目录

- - IO密集型任务
  - 高并发Web服务器
  - 异步编程
  - 微服务架构
  - 大规模并行处理
  - 事件驱动的应用
  - 不适用的场景
  - 使用对比
  - - Java 8普通线程池
    - 虚拟线程
  - 性能分析
  - - 资源消耗
    - 并发能力
    - 性能测试
  - 总结

在JDK 21之前，Java并发编程主要依赖于传统的线程池，如Java 8中的 Executors.newFixedThreadPool()。

虚拟线程（Virtual Threads）是JDK 21引入的一种新型线程，它们旨在解决传统线程在轻量级并发任务处理中的局限性。以下是虚拟线程适用的场景：

IO密集型任务

虚拟线程特别适用于IO密集型任务，因为这些任务通常会花费大量时间等待外部资源，如网络响应、文件读写等。在等待期间，虚拟线程可以被挂起，而不占用操作系统线程资源，从而允许更多的虚拟线程在同一时间内运行。

高并发Web服务器

在Web服务器中，通常需要处理大量的并发请求，这些请求往往是IO密集型的。使用虚拟线程可以显著提高服务器的并发处理能力，因为它们能够以极低的成本创建数百万个线程。

异步编程

虚拟线程与Project Loom中的结构化并发（Structured Concurrency）相结合，为异步编程提供了更好的支持。这使得编写和维护异步代码更加容易。

微服务架构

在微服务架构中，服务之间通常会有大量的网络调用。虚拟线程可以用来处理这些网络调用，提高服务的响应速度和吞吐量。

大规模并行处理

当需要并行处理大量任务时，如大数据处理、分布式计算等，虚拟线程可以提供更高的并行度，因为它们不受物理线程数量的限制。

事件驱动的应用

事件驱动的应用，如消息队列消费者、事件流处理等，可以利用虚拟线程来处理大量的事件，而不需要为每个事件分配一个操作系统线程。

不适用的场景

虽然虚拟线程在许多场景下都非常有用，但以下场景可能不太适合使用虚拟线程：

CPU密集型任务：虚拟线程并不提供比传统线程更好的CPU利用率。对于CPU密集型任务，操作系统线程可能更合适，因为它们可以直接映射到CPU核心。
需要精确线程控制的场景：如果应用程序需要精细控制线程的调度和行为，使用传统线程可能更为合适。
总之，虚拟线程适用于那些需要大量并发、高吞吐量、且任务执行时间主要花费在等待外部资源响应的场景。在实际应用中，开发者应根据具体的应用需求和资源特性来决定是否使用虚拟线程。

使用对比

Java 8普通线程池

在Java 8中，创建一个固定大小的线程池并执行任务通常如下：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.stream.IntStream;
public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 使用IntStream并发处理10000个任务
        IntStream.range(0, 10000).forEach(i -> {
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("处理任务：" + i);
                // 模拟任务执行时间
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        });
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个固定大小为10的线程池。这意味着即使我们有10000个任务，同一时间也只有10个任务在执行。

虚拟线程

而使用虚拟线程的示例已经在之前的段落中给出。虚拟线程可以创建数百万个，而不受物理线程数量的限制。

性能分析

资源消耗

普通线程池：每个线程都对应一个操作系统线程，创建和销毁线程的成本较高，且占用较多的内存和处理器资源。
虚拟线程：虚拟线程是轻量级的，它们共享同一个或几个操作系统线程，因此创建和销毁的成本非常低，且占用的资源远少于普通线程。

并发能力

普通线程池：由于操作系统线程资源的限制，线程池的大小通常受限，这限制了应用程序的并发能力。
虚拟线程：由于虚拟线程的资源消耗非常低，可以创建大量的虚拟线程，从而实现更高的并发能力。

性能测试

以下是一个简单的性能测试，比较在处理大量任务时，普通线程池和虚拟线程的性能差异。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;
public class PerformanceTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 普通线程池性能测试
        long startTimePool = System.nanoTime();
        ExecutorService poolExecutor = Executors.newFixedThreadPool(100);
        IntStream.range(0, 1000000).forEach(i -> poolExecutor.submit(() -> {
            // 模拟任务执行
        }));
        poolExecutor.shutdown();
        poolExecutor.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);
        long endTimePool = System.nanoTime();
        // 虚拟线程性能测试
        long startTimeVirtual = System.nanoTime();
        ExecutorService virtualExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        IntStream.range(0, 1000000).forEach(i -> virtualExecutor.submit(() -> {
            // 模拟任务执行
        }));
        virtualExecutor.shutdown();
        virtualExecutor.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);
        long endTimeVirtual = System.nanoTime();
        // 输出结果
        System.out.println("普通线程池执行时间: " + TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(endTimePool - startTimePool) + " ms");
        System.out.println("虚拟线程执行时间: " + TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(endTimeVirtual - startTimeVirtual) + " ms");
    }
}