Project Loom虚拟线程调度器：如何将Fiber高效映射到少量平台线程

Project Loom 虚拟线程调度器：如何将 Fiber 高效映射到少量平台线程

大家好，今天我们来深入探讨 Project Loom 中的一个核心组件：虚拟线程调度器，以及它如何巧妙地将大量的虚拟线程（Fiber）高效地映射到少量的平台线程上。

1. 虚拟线程与平台线程：概念澄清

在深入调度器之前，我们需要明确两个关键概念：

• 平台线程（Platform Thread）: 这就是我们通常所说的线程，由操作系统内核管理，每个平台线程都对应一个内核线程。平台线程的创建、销毁和上下文切换都涉及到内核调用，开销较大。
• 虚拟线程（Virtual Thread，又称 Fiber）: 虚拟线程是用户态的轻量级线程，由 JVM 管理，不需要内核直接参与。它的创建、销毁和上下文切换的开销远小于平台线程。Project Loom 的核心目标就是利用虚拟线程的轻量级特性，以更低的成本支持更高的并发。

关键的区别可以总结如下表：

特性	平台线程（Platform Thread）	虚拟线程（Virtual Thread/Fiber）
管理者	操作系统内核	JVM
上下文切换开销	高	低
数量	受操作系统限制	理论上可以创建大量
阻塞操作	阻塞整个线程	只阻塞虚拟线程，不影响平台线程

2. 调度器的角色：连接虚拟线程与平台线程的桥梁

虚拟线程本身并不能独立运行，它需要依附于平台线程才能真正执行。调度器的作用就是负责将虚拟线程“挂载”到平台线程上执行，并在适当的时候将虚拟线程“卸载”下来，让其他虚拟线程有机会运行。

简而言之，调度器就是虚拟线程和平台线程之间的“媒婆”。它负责：

• 调度虚拟线程: 决定哪个虚拟线程应该运行，哪个虚拟线程应该等待。
• 挂载虚拟线程: 将选定的虚拟线程“挂载”到可用的平台线程上执行。
• 卸载虚拟线程: 当虚拟线程遇到阻塞操作或者时间片用完时，将其从平台线程上“卸载”下来，以便让其他虚拟线程运行。

3. ForkJoinPool：默认的调度器

在 Project Loom 中，默认的调度器是 java.util.concurrent.ForkJoinPool。ForkJoinPool 是一个用于执行 ForkJoinTask 的线程池，它使用工作窃取算法来平衡负载，提高 CPU 利用率。

为什么选择 ForkJoinPool 作为默认调度器？

• 高效的工作窃取: ForkJoinPool 使用工作窃取算法，每个线程都有自己的任务队列，当一个线程的任务队列为空时，它会尝试从其他线程的任务队列中“窃取”任务来执行。这种机制可以有效地避免线程空闲，提高 CPU 利用率。
• 良好的可扩展性: ForkJoinPool 可以根据 CPU 核心数自动调整线程池的大小，以获得最佳的性能。
• 与现有 API 的兼容性: ForkJoinPool 已经存在于 Java 标准库中，开发者对其比较熟悉，可以降低学习成本。

4. 调度器的核心机制：挂载 (Mount) 和卸载 (Unmount)

虚拟线程的调度核心在于两个操作：挂载（Mount）和卸载（Unmount）。

• 挂载 (Mount): 当一个虚拟线程准备好运行时，调度器会选择一个可用的平台线程，将虚拟线程的栈帧（stack frame）和寄存器状态复制到平台线程的上下文中，然后让平台线程执行虚拟线程的代码。
• 卸载 (Unmount): 当虚拟线程遇到阻塞操作（例如 I/O 操作）或者时间片用完时，调度器会将虚拟线程的栈帧和寄存器状态保存起来，然后将平台线程从虚拟线程上“卸载”下来。这样，平台线程就可以执行其他的虚拟线程。

这种挂载和卸载的过程非常快速，因为它完全在用户态完成，不需要内核参与。这正是虚拟线程比平台线程轻量级的关键原因。

5. 阻塞与延续 (Continuation)

虚拟线程的一个重要特性是，当它遇到阻塞操作时，不会阻塞整个平台线程，而是将虚拟线程的状态保存起来，然后让平台线程去执行其他的虚拟线程。当阻塞操作完成时，虚拟线程可以从之前暂停的地方继续执行。

这个“继续执行”的能力是通过 Continuation 实现的。Continuation 可以理解为虚拟线程的执行状态，它包含了虚拟线程的栈帧、寄存器状态等信息。当虚拟线程被卸载时，Continuation 会被保存起来。当虚拟线程需要继续执行时，调度器会利用 Continuation 将虚拟线程的状态恢复到平台线程上，然后从之前暂停的地方继续执行。

下面是一个简单的示例，说明了虚拟线程如何处理阻塞操作：

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class VirtualThreadExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.startVirtualThread(() -> {
                System.out.println("Virtual Thread " + Thread.currentThread().getName() + " started");
                // 模拟一个阻塞操作
                sleepRandomTime();
                System.out.println("Virtual Thread " + Thread.currentThread().getName() + " finished");
            });
        }

        // 防止主线程过早退出，让虚拟线程有时间执行
        Thread.sleep(1000);
    }

    static void sleepRandomTime() {
        long sleepTime = ThreadLocalRandom.current().nextLong(100, 500);
        System.out.println("Virtual Thread " + Thread.currentThread().getName() + " sleeping for " + sleepTime + " ms");
        LockSupport.parkNanos(sleepTime * 1000000); // 使用 LockSupport.parkNanos 模拟阻塞
    }
}

在这个例子中，Thread.startVirtualThread 方法会创建一个虚拟线程。虚拟线程会执行 sleepRandomTime 方法，该方法使用 LockSupport.parkNanos 模拟一个阻塞操作。当虚拟线程调用 LockSupport.parkNanos 时，它会被卸载，平台线程可以执行其他的虚拟线程。当 LockSupport.parkNanos 返回时，虚拟线程会被重新挂载，并从 LockSupport.parkNanos 之后继续执行。

注意，这里使用 LockSupport.parkNanos 来模拟阻塞操作，是因为 Thread.sleep 会导致平台线程阻塞，而不是仅仅阻塞虚拟线程。Project Loom 推荐使用 LockSupport 系列方法来实现可中断的阻塞操作。

6. 定制调度器：ExecutorService

虽然 ForkJoinPool 是默认的调度器，但开发者也可以使用其他的 ExecutorService 作为调度器。这提供了更大的灵活性，可以根据具体的应用场景选择最合适的调度器。

例如，可以使用 ThreadPoolExecutor 作为调度器：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CustomSchedulerExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个固定大小的线程池作为调度器
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.startVirtualThread(executor, () -> {
                System.out.println("Virtual Thread " + Thread.currentThread().getName() + " started");
                // 模拟一个耗时操作
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Virtual Thread " + Thread.currentThread().getName() + " finished");
            });
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, java.util.concurrent.TimeUnit.MINUTES);
    }
}

在这个例子中，Thread.startVirtualThread 方法接受一个 ExecutorService 作为参数，用于指定虚拟线程的调度器。这意味着虚拟线程会被提交到指定的 ExecutorService 中执行，而不是默认的 ForkJoinPool。

选择合适的 ExecutorService 作为调度器需要根据具体的应用场景进行考虑。例如，如果需要限制并发度，可以使用 newFixedThreadPool 创建一个固定大小的线程池。如果需要更高的吞吐量，可以使用 newCachedThreadPool 创建一个可缓存的线程池。

7. 调度器的优化与挑战

虚拟线程调度器面临着一些优化与挑战：

• 减少上下文切换开销: 虽然虚拟线程的上下文切换开销远小于平台线程，但仍然存在一定的开销。如何进一步减少上下文切换开销，提高调度器的效率，是一个重要的研究方向。
• 优化阻塞操作的处理: 如何更有效地处理阻塞操作，避免虚拟线程长时间占用平台线程，也是一个需要考虑的问题。
• 调试与监控: 如何方便地调试和监控虚拟线程的执行情况，以便及时发现和解决问题，也是一个重要的挑战。
• 与现有代码的兼容性: 如何保证虚拟线程与现有的代码兼容，避免出现意外的问题，也是一个需要重视的问题。

8. 代码示例：更复杂的场景

让我们看一个更复杂的例子，模拟一个简单的 Web 服务器，使用虚拟线程来处理并发请求：

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class VirtualWebServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个可缓存的线程池作为调度器
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
            System.out.println("Server started on port 8080");
            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                // 使用虚拟线程处理每个客户端请求
                Thread.startVirtualThread(executor, () -> handleRequest(clientSocket));
            }
        } finally {
            executor.shutdown();
        }
    }

    static void handleRequest(Socket clientSocket) {
        try {
            System.out.println("Handling request from " + clientSocket.getInetAddress());
            // 模拟处理请求
            Thread.sleep(100);
            clientSocket.getOutputStream().write("HTTP/1.1 200 OKrnContent-Length: 12rnrnHello World!".getBytes());
            clientSocket.close();
            System.out.println("Request handled from " + clientSocket.getInetAddress());
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个 ServerSocket 来监听 8080 端口。当有新的客户端连接时，我们使用 Thread.startVirtualThread 创建一个虚拟线程来处理该客户端的请求。handleRequest 方法模拟了处理请求的过程，包括读取请求数据、处理数据和发送响应数据。

通过使用虚拟线程，我们可以轻松地处理大量的并发请求，而无需担心平台线程的限制。每个客户端请求都由一个独立的虚拟线程处理，即使某些请求需要执行阻塞操作，也不会影响其他的请求。

9. 总结：轻量级并发的未来

Project Loom 的虚拟线程调度器通过高效地将大量虚拟线程映射到少量平台线程上，实现了轻量级的并发编程。它利用 ForkJoinPool 作为默认调度器，通过挂载和卸载操作实现虚拟线程的切换，并使用 Continuation 来保存和恢复虚拟线程的状态。开发者还可以根据具体的应用场景选择其他的 ExecutorService 作为调度器，以获得最佳的性能。随着 Project Loom 的不断发展，虚拟线程将会在并发编程领域发挥越来越重要的作用。

10. 思考：虚拟线程带来的变化

虚拟线程不仅仅是提升性能的工具，它还改变了我们编写并发代码的方式。传统的基于线程池的并发模型，需要 carefully 管理线程的数量，避免线程过多导致系统资源耗尽。而有了虚拟线程，我们可以放心地为每个任务创建一个虚拟线程，而无需担心线程数量的限制。这种编程模型更加简单、自然，也更容易理解和维护。