Project Loom：Continuation 技术支撑下的虚拟线程非阻塞挂起与恢复
大家好，今天我们来深入探讨 Project Loom 的核心机制之一：Continuation 技术，以及它如何实现虚拟线程的非阻塞挂起与恢复，从而解决传统线程模型在高并发场景下的瓶颈。
1. 传统线程模型面临的挑战
在深入 Continuation 之前，让我们回顾一下传统线程模型（通常指操作系统原生线程，例如 Java 中的 java.lang.Thread）的局限性。
| 挑战 | 描述 |
|---|---|
| 上下文切换开销 | 线程切换需要操作系统介入，保存和恢复 CPU 寄存器、栈、程序计数器等信息，开销较大。在高并发场景下，频繁的线程切换会显著降低系统吞吐量。 |
| 资源占用 | 每个线程都需要分配一定的栈空间（几百 KB 到几 MB），线程数量增加会导致内存消耗迅速增长。 |
| 阻塞操作 | 传统线程在执行阻塞 I/O 操作时（例如读取网络数据），会被操作系统挂起，直到 I/O 操作完成。这段时间内，线程无法执行其他任务，造成 CPU 资源的浪费。 |
| 编程复杂性 | 多线程编程容易出错，例如死锁、竞态条件等。调试和维护多线程代码的难度较高。 |
这些挑战在高并发、I/O 密集型应用中尤为突出，例如 Web 服务器、消息队列等。
2. Project Loom 和虚拟线程
Project Loom 旨在解决上述问题，它引入了两种新的并发模型：
- 虚拟线程（Virtual Threads）： 也称为纤程（Fibers），是轻量级的线程，由 JVM 管理，而不是由操作系统管理。虚拟线程的创建和销毁开销极小，可以创建数百万个虚拟线程。
- Continuation： 是虚拟线程的核心技术，用于实现虚拟线程的非阻塞挂起与恢复。
虚拟线程的目的是简化并发编程，并提高应用程序的吞吐量。我们可以将虚拟线程视为用户态的线程，它们的调度和管理都由 JVM 完成，而无需操作系统内核的参与。这大大降低了上下文切换的开销，并允许创建大量的并发线程。
3. Continuation 的概念和作用
Continuation 可以理解为程序执行过程中某个特定点的“快照”。它包含了程序在该点执行的所有上下文信息，例如栈、局部变量、程序计数器等。
当一个虚拟线程遇到阻塞操作时，不是像传统线程那样被操作系统挂起，而是通过 Continuation 将当前线程的执行状态保存起来，然后让出 CPU 资源，允许其他虚拟线程执行。当阻塞操作完成后，保存的 Continuation 可以被恢复，虚拟线程可以从挂起的地方继续执行。
关键点：
- 用户态管理： Continuation 的创建、保存和恢复完全在用户态进行，无需操作系统内核的参与，因此开销极低。
- 非阻塞挂起： 虚拟线程在挂起时不会阻塞底层的操作系统线程，而是释放资源，允许其他虚拟线程运行。
- 无缝恢复： Continuation 可以将虚拟线程恢复到挂起时的状态，就好像什么都没发生过一样。
4. Continuation 的工作原理
Continuation 的工作流程大致如下：
- 创建 Continuation： 当需要创建一个 Continuation 时，JVM 会为当前执行的虚拟线程创建一个 Continuation 对象，并保存当前的执行上下文。
- 挂起 Continuation： 当虚拟线程遇到阻塞操作时，例如
Thread.sleep()、I/O 操作等，JVM 会挂起当前的 Continuation。挂起操作会将 Continuation 对象放入一个等待队列中，并让出 CPU 资源。 - 恢复 Continuation： 当阻塞操作完成后，JVM 会从等待队列中取出对应的 Continuation 对象，并恢复其执行上下文。虚拟线程可以从挂起的地方继续执行。
下面是一个简化的 Java 代码示例，演示了 Continuation 的基本用法（注意：这只是概念性的示例，实际的 Loom 实现远比这复杂）：
import jdk.internal.vm.Continuation;
import jdk.internal.vm.ContinuationScope;
public class ContinuationExample {
public static void main(String[] args) {
ContinuationScope scope = new ContinuationScope("myScope");
Continuation continuation = new Continuation(scope, () -> {
System.out.println("Continuation started");
Continuation.yield(scope); // 模拟挂起
System.out.println("Continuation resumed");
});
System.out.println("Before running continuation");
continuation.run();
System.out.println("After first run");
if (continuation.isDone()) {
System.out.println("Continuation is done");
} else {
continuation.run(); // 恢复 continuation
System.out.println("After second run");
}
System.out.println("Program finished");
}
}代码解释：
ContinuationScope：用于标识 Continuation 的作用域，类似线程组的概念。Continuation：表示一个 Continuation 对象，构造函数接受一个ContinuationScope和一个Runnable对象，Runnable对象包含 Continuation 要执行的代码。Continuation.yield(scope)：模拟挂起操作，将当前 Continuation 挂起，并将 CPU 资源让给其他 Continuation。continuation.run()：运行或恢复 Continuation。如果 Continuation 是第一次运行，则从头开始执行；如果 Continuation 已经被挂起，则从挂起的地方继续执行。
输出结果：
Before running continuation
Continuation started
After first run
Continuation resumed
After second run
Program finished注意： 上述代码使用了 jdk.internal.vm.Continuation 和 jdk.internal.vm.ContinuationScope，这些类是 JDK 的内部 API，不建议在生产环境中使用。Project Loom 提供了更高级的 API 来管理虚拟线程和 Continuation。在正式发布版本中，这些内部API会被隐藏或者替换成公有API。
5. 虚拟线程与 Continuation 的关系
虚拟线程是基于 Continuation 实现的。每一个虚拟线程都对应一个 Continuation 对象。当虚拟线程执行阻塞操作时，JVM 会挂起该虚拟线程对应的 Continuation 对象，而不是阻塞底层的操作系统线程。当阻塞操作完成后，JVM 会恢复该 Continuation 对象，虚拟线程可以从挂起的地方继续执行。
可以简单理解为：虚拟线程是用户可见的线程模型，而 Continuation 是底层的技术支撑。
6. Loom 如何处理阻塞 I/O 操作
Loom 的一个重要目标是让现有的阻塞 I/O API 可以高效地与虚拟线程一起工作。为此，Loom 引入了以下机制：
- Park/Unpark： Loom 使用
java.util.concurrent.locks.LockSupport.park()和java.util.concurrent.locks.LockSupport.unpark()方法来挂起和恢复虚拟线程。park()方法会将当前虚拟线程的 Continuation 挂起，并让出 CPU 资源。unpark()方法会唤醒指定的虚拟线程，使其可以继续执行。 - ForkJoinPool 的改进： Loom 使用 ForkJoinPool 来执行虚拟线程。ForkJoinPool 被改进，使其可以高效地调度和管理大量的虚拟线程。当一个虚拟线程被挂起时，ForkJoinPool 可以将其他的虚拟线程调度到 CPU 上执行，从而提高 CPU 利用率。
- 适配器： Loom 提供了一些适配器，可以将现有的阻塞 I/O API 转换为非阻塞 I/O API。例如，
java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel可以用于执行非阻塞的网络 I/O 操作。
当一个虚拟线程执行阻塞 I/O 操作时，例如读取网络数据，Loom 会执行以下步骤：
- 虚拟线程调用阻塞 I/O API，例如
socket.getInputStream().read()。 - Loom 将该 I/O 操作转换为非阻塞操作，例如使用
AsynchronousSocketChannel。 - 如果 I/O 操作立即完成，则虚拟线程继续执行。
- 如果 I/O 操作需要等待，则 Loom 会挂起该虚拟线程的 Continuation，并让出 CPU 资源。
- 当 I/O 操作完成后，Loom 会恢复该虚拟线程的 Continuation，虚拟线程可以从挂起的地方继续执行。
通过这种方式，Loom 可以实现虚拟线程的非阻塞挂起与恢复，从而避免了传统线程模型中的阻塞问题。
7. 代码示例：使用虚拟线程进行 I/O 操作
下面是一个使用虚拟线程进行 I/O 操作的示例：
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.Executors;
public class VirtualThreadIOExample {
public static void main(String[] args) throws IOException {
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
System.out.println("Server started on port 8080");
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待连接
System.out.println("Accepted connection from " + socket.getInetAddress());
// 使用虚拟线程处理连接
Thread.startVirtualThread(() -> {
try (InputStream inputStream = socket.getInputStream()) {
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead;
while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) { // 阻塞读取数据
System.out.println("Received " + bytesRead + " bytes from " + socket.getInetAddress());
// 处理数据
String data = new String(buffer, 0, bytesRead);
System.out.println("Data: " + data);
}
} catch (IOException e) {
System.err.println("Error handling connection: " + e.getMessage());
} finally {
try {
socket.close();
System.out.println("Closed connection from " + socket.getInetAddress());
} catch (IOException e) {
System.err.println("Error closing socket: " + e.getMessage());
}
}
});
}
}
}
}代码解释：
Thread.startVirtualThread(() -> { ... })：创建一个虚拟线程并执行指定的Runnable对象。serverSocket.accept()：阻塞等待客户端连接。inputStream.read(buffer)：阻塞读取客户端发送的数据。
在这个示例中，serverSocket.accept() 和 inputStream.read(buffer) 都是阻塞操作。但是，由于使用了虚拟线程，当这些操作阻塞时，Loom 会挂起虚拟线程的 Continuation，而不是阻塞底层的操作系统线程。这使得服务器可以同时处理大量的并发连接，而不会出现性能瓶颈。
注意： 要运行此代码，你需要使用支持 Project Loom 的 JDK 版本（例如，JDK 19 及以上版本）。
8. Continuation 的优势和局限性
优势：
- 高性能： Continuation 的创建、保存和恢复开销极低，可以显著提高应用程序的吞吐量。
- 高并发： 虚拟线程可以创建数百万个，可以轻松处理大量的并发连接。
- 简化编程： 虚拟线程可以简化并发编程，避免了传统线程模型中的死锁、竞态条件等问题。
- 兼容性： Loom 旨在与现有的 Java 代码兼容，大多数情况下，只需要简单地将
Thread替换为Thread.startVirtualThread()就可以使用虚拟线程。
局限性：
- 学习曲线： 理解 Continuation 的概念和工作原理需要一定的学习成本。
- 调试难度： 虚拟线程的调试可能比传统线程更困难，因为虚拟线程的执行状态存储在 Continuation 对象中，而不是操作系统的线程上下文中。
- 并非银弹： 虚拟线程并不能解决所有并发问题。对于 CPU 密集型应用，虚拟线程的优势并不明显。
9. Loom 的实际应用场景
Project Loom 可以应用于各种高并发、I/O 密集型应用，例如：
- Web 服务器： 可以使用虚拟线程来处理大量的并发 HTTP 请求，提高服务器的吞吐量。
- 消息队列： 可以使用虚拟线程来处理大量的消息，提高消息队列的吞吐量。
- 数据库连接池： 可以使用虚拟线程来管理数据库连接，提高数据库的并发访问能力。
- 微服务架构： 可以使用虚拟线程来构建高并发、低延迟的微服务。
10. 对未来并发编程的影响
Project Loom 的出现，势必会对未来的并发编程产生深远的影响。
- 简化并发模型： 虚拟线程提供了一种更简单、更高效的并发模型，可以降低并发编程的难度。
- 提高资源利用率： 虚拟线程可以提高 CPU 和内存的利用率，从而降低应用程序的成本。
- 推动异步编程发展： 虚拟线程可以简化异步编程，使异步编程更加容易使用和理解。
11. 总结
Continuation 是 Project Loom 的核心技术，它通过非阻塞挂起与恢复机制，实现了虚拟线程的高效并发。虚拟线程可以简化并发编程，提高应用程序的吞吐量，并降低资源消耗。虽然 Loom 仍处于发展阶段，但它已经展现出了巨大的潜力，有望成为未来并发编程的主流模型。
Loom 的核心是 Continuation，它实现了虚拟线程的非阻塞挂起与恢复，可以显著提高应用程序的吞吐量。虚拟线程简化了并发编程，并提高了资源利用率。