在最近發(fā)布的JDK 21 LTS版本中，加入了許多新特性。其中對(duì)我們開發(fā)人員影響最大的應(yīng)該是分代ZGC以及Java的虛擬線程。在本篇文章中，我將帶大家深入了解Java虛擬線程的原理、如何使用、使用的注意事項(xiàng)以及其他相似技術(shù)的差別。

什么是虛擬線程

首先，我們需要了解什么是虛擬線程。

在平時(shí)的開發(fā)過(guò)程中，我們所使用的多線程往往意味著平臺(tái)線程。平臺(tái)線程代表著JVM直接與操作系統(tǒng)交互，創(chuàng)建了一個(gè)一個(gè)的線程，并且在JVM中還要為這個(gè)線程單獨(dú)開辟內(nèi)存使用。一般在JVM中創(chuàng)建一個(gè)平臺(tái)線程，開銷大約在1M左右。為了避免創(chuàng)建線程和銷毀線程帶來(lái)的巨大開銷，我們通常選擇使用池化技術(shù)來(lái)維護(hù)一些活躍的線程。

此外，線程的數(shù)量也需要嚴(yán)格控制。如果在一個(gè)線程池中維護(hù)成千上百個(gè)線程，往往效率并不盡如人意。因?yàn)榫€程在切換時(shí)涉及到CPU上下文的切換，如果線程數(shù)過(guò)多，反而會(huì)降低執(zhí)行效率。因此，如何控制線程池的大小也是考驗(yàn)工程師經(jīng)驗(yàn)的難點(diǎn)。

平臺(tái)線程與系統(tǒng)線程關(guān)系如下

為了解決這個(gè)問(wèn)題，虛擬線程應(yīng)運(yùn)而生，虛擬線程并不是Java的首創(chuàng)，它在很多其他語(yǔ)言中被稱為協(xié)程、纖程、綠色線程、用戶態(tài)線程等，虛擬線程相對(duì)平臺(tái)線程，并不直接與操作系統(tǒng)交互，虛擬線程的數(shù)據(jù)是維護(hù)在堆內(nèi)存中，由JVM創(chuàng)建的平臺(tái)線程來(lái)持有，由平臺(tái)線程來(lái)決定什么時(shí)候來(lái)切換虛擬線程，大概圖如下

雖然圖中只畫了幾個(gè)虛擬線程，但是在實(shí)際使用中，我們可以創(chuàng)建成百上千的虛擬線程而不用擔(dān)心資源消耗的問(wèn)題

首先原因在于虛擬線程的開銷極其廉價(jià)，一個(gè)虛擬線程可能才使用幾百字節(jié)，所以幾遍創(chuàng)建成百上千也不會(huì)消耗太多內(nèi)存資源

其次雖然我們有極多的虛擬線程，但是實(shí)際上執(zhí)行線程依舊只有幾個(gè)平臺(tái)線程，所以在線程使用中不會(huì)由于CPU上下文的切換導(dǎo)致的額外開銷。

使用

接下來(lái)我們用代碼來(lái)實(shí)踐一下虛擬線程，JDK的工程師為了方便我們快速進(jìn)行虛擬線程的升級(jí)，可以使用Thread來(lái)快速創(chuàng)建虛擬線程

Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {
    Thread.sleep(1000);
});

這種方法創(chuàng)建的虛擬線程會(huì)立刻啟動(dòng)，那么如果我們想創(chuàng)建一個(gè)需要手動(dòng)啟動(dòng)的虛擬線程，可以參考如下的方式

// 創(chuàng)建VirtualThread
Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {
    Thread.sleep(1000);
});
// 運(yùn)行
vt.start();

還可以創(chuàng)建虛擬線程的工廠來(lái)使用

// 創(chuàng)建ThreadFactory:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
// 創(chuàng)建VirtualThread:
Thread vt = tf.newThread(() -> {
    Thread.sleep(1000);
});
// 運(yùn)行:
vt.start();

我們將線程的上下文信息打印出來(lái)看看

VirtualThread[#21]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-1

從這個(gè)打印內(nèi)容可以大概看出，虛擬線程底層采用了ForkJoinPool來(lái)維護(hù)平臺(tái)線程，而后面的worker-1則代表具體的平臺(tái)線程的名稱，前面的#21代表當(dāng)前虛擬線程的數(shù)量，那么可能有同學(xué)就會(huì)問(wèn)了 那如果我全局有成千上百個(gè)虛擬線程，我怎么知道是哪塊業(yè)務(wù)的線程除了問(wèn)題呢。

我們可以對(duì)線程工廠進(jìn)行命名，使用該線程工廠命名后，在線程上下文中就會(huì)打印對(duì)應(yīng)虛擬線程工廠的信息。

ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().name("myVirtual").factory();
        try(ExecutorService executor = Executors.newThreadPerTaskExecutor(factory)) {
            for (int i=0; i<100000; i++) {
                // 也可以直接傳入Runnable或Callable:
                executor.submit(() -> {
                    System.out.println(Thread.currentThread());
                    Thread.sleep(1000);
                    return true;
                });
            }
        }

VirtualThread[#23,myVirtual]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-2
VirtualThread[#275,myVirtual]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-7
VirtualThread[#282,myVirtual]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-5
VirtualThread[#285,myVirtual]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-4
VirtualThread[#288,myVirtual]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-3
VirtualThread[#234,myVirtual]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-10

從日志中不難看出，我們已經(jīng)成功在線程上下文標(biāo)記了這一塊虛擬線程屬于哪個(gè)工廠，并且通過(guò)信息后綴中的worker-10可以看出底層的ForkJoinPool已經(jīng)創(chuàng)建了10個(gè)平臺(tái)線程來(lái)操作虛擬線程，因?yàn)槲疫@臺(tái)電腦是10核的，所以底層的線程池會(huì)創(chuàng)建與核心數(shù)相等的線程來(lái)操作虛擬線程，在我的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論你創(chuàng)建多少調(diào)度器，所有底層的虛擬線程都是由同一個(gè)平臺(tái)線程池來(lái)操控的。

而且在示例代碼中，我創(chuàng)建了十萬(wàn)個(gè)虛擬線程，如果我是用的是平臺(tái)線程，且不說(shuō)執(zhí)行效率，但是內(nèi)存分配就已經(jīng)使項(xiàng)目OOM了。

注意事項(xiàng)

ThreadLocal支持

有同學(xué)可能會(huì)問(wèn)，在虛擬線程中能否使用ThreadLocal對(duì)象呢？官方給出的答案是，能夠使用但不建議。在過(guò)去，我們?cè)诰S護(hù)線程池時(shí)，線程的數(shù)量是固定的且相對(duì)較少。我們通過(guò)手動(dòng)清理的方式來(lái)重用ThreadLocal對(duì)象。然而，在使用虛擬線程后，我們不再關(guān)注具體的線程數(shù)，這導(dǎo)致ThreadLocal對(duì)象的數(shù)量無(wú)法控制，從而占用了額外的內(nèi)存。需要注意的是，虛擬線程與平臺(tái)線程不共享同一個(gè)ThreadLocal。

永遠(yuǎn)不要池化虛擬線程

之前我們提到過(guò)，虛擬線程的開銷非常低，每個(gè)虛擬線程可能只消耗幾百字節(jié)的內(nèi)存。這意味著我們不需要為虛擬線程創(chuàng)建所謂的線程池。相應(yīng)地，根據(jù)我們之前的編碼習(xí)慣，如果某個(gè)功能只能接受20個(gè)并發(fā)請(qǐng)求，我們可能會(huì)創(chuàng)建一個(gè)固定大小為20的線程池來(lái)進(jìn)行限流。然而，如果使用虛擬線程，我們應(yīng)盡量改用類似信號(hào)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

協(xié)程、IO多路復(fù)用與虛擬線程的關(guān)系

有很多同學(xué)可能對(duì)對(duì)這幾個(gè)概念相對(duì)比較混淆，我們可以來(lái)梳理下這幾個(gè)概念之間的異同，首先協(xié)程與虛擬線程從概念上是相同的，只是不同語(yǔ)言之間的實(shí)現(xiàn)方式是不同的，都是在用戶態(tài)線程中維護(hù)多個(gè)子線程進(jìn)行切換，只是如Python語(yǔ)言可能需要手動(dòng)去喚起協(xié)程，而Java中的虛擬線程都是交由JVM調(diào)度的。

而IO多路復(fù)用，我們以Netty為例，它內(nèi)部使用了IO多路復(fù)用技術(shù)來(lái)管理和處理大量的并發(fā)IO操作。Netty的IO多路復(fù)用機(jī)制可以有效地管理和調(diào)度多個(gè)連接，提高系統(tǒng)的吞吐量和性能。它基于事件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模型，通過(guò)選擇器（Selector）來(lái)同時(shí)監(jiān)控多個(gè)IO通道的狀態(tài)，當(dāng)有IO事件就緒時(shí)，通過(guò)回調(diào)機(jī)制來(lái)進(jìn)行處理。而虛擬線程通常用于解決IO阻塞的問(wèn)題，通過(guò)在IO操作或時(shí)間等待點(diǎn)上主動(dòng)釋放執(zhí)行權(quán)，來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的并發(fā)性能。虛擬線程可以減少線程切換的開銷，但它仍然是在應(yīng)用程序內(nèi)部執(zhí)行的，并不能直接替代IO多路復(fù)用來(lái)管理和處理大量的并發(fā)IO操作。可以說(shuō)術(shù)業(yè)有專攻，但是虛擬線程確實(shí)會(huì)對(duì)多IO操作有效率提升的。

到此這篇關(guān)于淺析Java中的虛擬線程的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java虛擬線程內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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