Java Loom：如何通过Thread.Builder API定制虚拟线程的创建与调度器 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始。

Java Loom：通过Thread.Builder API定制虚拟线程的创建与调度器

大家好，今天我们来深入探讨Java Loom项目中虚拟线程的一个重要方面：如何通过 Thread.Builder API 定制虚拟线程的创建和调度器。虚拟线程是Loom项目引入的核心概念，旨在大幅降低并发编程的复杂性，提高应用程序的吞吐量和响应速度。理解并掌握 Thread.Builder API 对于充分利用虚拟线程的优势至关重要。

1. 虚拟线程的背景与优势

在传统的Java多线程模型中，每个线程都对应一个内核线程。创建和管理内核线程的开销相对较大，限制了应用程序可以创建的线程数量。当线程数量过多时，频繁的上下文切换会导致性能下降，甚至出现资源耗尽的情况。

虚拟线程（也称为纤程或用户态线程）则是一种轻量级的线程实现。多个虚拟线程可以复用同一个内核线程，从而大幅降低了线程创建和管理的开销。虚拟线程的上下文切换是在用户态完成的，无需陷入内核，进一步提高了性能。

虚拟线程的主要优势包括：

高并发性： 可以创建大量的虚拟线程，而不会过度消耗系统资源。
低开销： 虚拟线程的创建和切换开销远低于内核线程。
简化并发编程： 虚拟线程使得传统的阻塞式I/O操作不再成为性能瓶颈，简化了并发编程模型。

2. Thread.Builder API 概述

Java Loom 提供了 Thread.Builder API，用于定制线程的创建过程，包括虚拟线程和平台线程。Thread.Builder 允许我们设置线程的名称、守护状态、上下文类加载器、继承性以及调度器等属性。

Thread.Builder 接口定义如下：

package java.lang;

import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.function.Supplier;

public interface Thread {

    interface Builder {

        Builder name(String name);

        Builder daemon(boolean daemon);

        Builder inherited(boolean inherit);

        Builder contextClassLoader(ClassLoader cl);

        Builder uncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh);

        ThreadFactory factory();

        Thread start(Runnable task);

        Thread unstarted(Runnable task);

        // Only available in VirtualThread.Builder
        default Builder scheduler(Executor scheduler) {
            throw new UnsupportedOperationException("Scheduler is only supported for virtual threads");
        }
    }

    interface OfVirtual extends Builder {
        @Override
        OfVirtual name(String name);

        @Override
        OfVirtual daemon(boolean daemon);

        @Override
        OfVirtual inherited(boolean inherit);

        @Override
        OfVirtual contextClassLoader(ClassLoader cl);

        @Override
        OfVirtual uncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh);

        @Override
        OfVirtual scheduler(Executor scheduler);
    }

    interface OfPlatform extends Builder {
        @Override
        OfPlatform name(String name);

        @Override
        OfPlatform daemon(boolean daemon);

        @Override
        OfPlatform inherited(boolean inherit);

        @Override
        OfPlatform contextClassLoader(ClassLoader cl);

        @Override
        OfPlatform uncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh);
    }

    static OfVirtual ofVirtual() {
        return new VirtualThreadBuilder();
    }

    static OfPlatform ofPlatform() {
        return new PlatformThreadBuilder();
    }
}

主要方法说明：

方法名	描述
`name(String name)`	设置线程的名称。
`daemon(boolean daemon)`	设置线程是否为守护线程。
`inherited(boolean inherit)`	设置线程是否继承父线程的 `InheritableThreadLocal` 的值。
`contextClassLoader(ClassLoader cl)`	设置线程的上下文类加载器。
`uncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)`	设置线程的未捕获异常处理器。
`factory()`	创建一个 `ThreadFactory`，用于创建具有相同属性的线程。
`start(Runnable task)`	创建并启动一个线程，执行给定的 `Runnable` 任务。
`unstarted(Runnable task)`	创建一个尚未启动的线程，执行给定的 `Runnable` 任务。
`scheduler(Executor scheduler)`	(仅虚拟线程) 设置用于调度虚拟线程的 `Executor`。如果未设置，则使用默认的 ForkJoinPool 公共池。

3. 创建和启动虚拟线程

创建和启动虚拟线程主要有两种方式：

使用 Thread.start(Runnable) 方法：

Runnable task = () -> {
    System.out.println("Virtual thread running: " + Thread.currentThread());
};

Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(task);

使用 Thread.unstarted(Runnable) 方法，然后手动启动：

Runnable task = () -> {
    System.out.println("Virtual thread running: " + Thread.currentThread());
};

Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().unstarted(task);
virtualThread.start();

4. 定制虚拟线程的属性

我们可以使用 Thread.Builder API 来定制虚拟线程的名称、守护状态、上下文类加载器等属性。

Runnable task = () -> {
    System.out.println("Virtual thread running: " + Thread.currentThread().getName());
};

Thread virtualThread = Thread.ofVirtual()
    .name("my-virtual-thread")
    .daemon(true)
    .start(task);

5. 虚拟线程的调度器

虚拟线程的调度器负责将虚拟线程的任务调度到载体线程（通常是 ForkJoinPool 中的线程）上执行。默认情况下，虚拟线程使用 ForkJoinPool.commonPool() 作为调度器。

5.1 默认调度器：ForkJoinPool.commonPool()

ForkJoinPool 是 Java 并发框架提供的一个线程池，用于执行计算密集型的任务。ForkJoinPool 使用工作窃取算法，可以有效地利用多核处理器的资源。

默认情况下，所有虚拟线程都共享同一个 ForkJoinPool.commonPool() 调度器。这意味着虚拟线程的任务可能会被不同的载体线程执行。

5.2 自定义调度器

我们可以通过 Thread.Builder.scheduler(Executor) 方法来指定自定义的调度器。自定义调度器可以是任何实现了 Executor 接口的类。

为什么需要自定义调度器？

资源隔离： 将不同类型的虚拟线程分配到不同的调度器，可以实现资源隔离，避免相互干扰。例如，可以将I/O密集型的虚拟线程和计算密集型的虚拟线程分配到不同的调度器，以优化性能。
优先级控制： 可以通过自定义调度器来实现优先级控制。例如，可以创建一个优先级队列调度器，将优先级较高的虚拟线程优先调度到载体线程上执行。
监控和管理： 自定义调度器可以方便地进行监控和管理。例如，可以记录调度器中虚拟线程的执行情况，以便进行性能分析和故障诊断。

5.3 如何创建自定义调度器

可以使用以下几种方式创建自定义调度器：

使用 Executors 工厂类：

Executors 类提供了一些静态方法，用于创建各种类型的线程池，例如固定大小的线程池、缓存线程池等。
```
Executor customScheduler = Executors.newFixedThreadPool(4);
```

使用 ThreadPoolExecutor 类：

ThreadPoolExecutor 是一个可配置的线程池实现，可以设置核心线程数、最大线程数、线程空闲时间等参数。

Executor customScheduler = new ThreadPoolExecutor(
    4, // corePoolSize
    8, // maximumPoolSize
    60L, // keepAliveTime
    TimeUnit.SECONDS, // unit
    new LinkedBlockingQueue<Runnable>() // workQueue
);

自定义 Executor 实现类：

可以创建一个实现了 Executor 接口的自定义类，来实现更复杂的调度逻辑。

class MyScheduler implements Executor {
    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        // 自定义调度逻辑
        new Thread(command).start();
    }
}

Executor customScheduler = new MyScheduler();

5.4 使用自定义调度器

创建自定义调度器后，可以通过 Thread.Builder.scheduler(Executor) 方法将其应用到虚拟线程上。

Executor customScheduler = Executors.newFixedThreadPool(4);

Runnable task = () -> {
    System.out.println("Virtual thread running on custom scheduler: " + Thread.currentThread().getName());
};

Thread virtualThread = Thread.ofVirtual()
    .scheduler(customScheduler)
    .start(task);

6. 调度器选择策略

选择合适的调度器取决于应用程序的具体需求。以下是一些常用的调度器选择策略：

默认调度器 (ForkJoinPool.commonPool()): 适用于大多数情况，特别是对于计算密集型的任务。
固定大小的线程池 (Executors.newFixedThreadPool()): 适用于需要限制并发度的场景。
缓存线程池 (Executors.newCachedThreadPool()): 适用于任务数量不确定，且任务执行时间较短的场景。
自定义调度器: 适用于需要实现复杂的调度逻辑，例如优先级控制、资源隔离等。

7. 代码示例：自定义调度器实现资源隔离

假设我们有一个应用程序，需要处理两种类型的任务：I/O 密集型任务和计算密集型任务。为了避免相互干扰，我们可以将这两种类型的任务分配到不同的调度器上。

import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;

public class VirtualThreadSchedulerExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建 I/O 密集型任务的调度器
        Executor ioScheduler = Executors.newCachedThreadPool();

        // 创建计算密集型任务的调度器
        Executor cpuScheduler = Executors.newFixedThreadPool(4);

        // 创建 I/O 密集型任务
        Runnable ioTask = () -> {
            System.out.println("I/O task running on: " + Thread.currentThread());
            try {
                Thread.sleep(1000); // 模拟 I/O 操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        // 创建计算密集型任务
        Runnable cpuTask = () -> {
            System.out.println("CPU task running on: " + Thread.currentThread());
            long sum = 0;
            for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
                sum += i;
            }
            System.out.println("Sum: " + sum);
        };

        // 使用 I/O 调度器启动 I/O 密集型任务
        Thread.ofVirtual()
            .scheduler(ioScheduler)
            .name("io-virtual-thread")
            .start(ioTask);

        // 使用 CPU 调度器启动计算密集型任务
        Thread.ofVirtual()
            .scheduler(cpuScheduler)
            .name("cpu-virtual-thread")
            .start(cpuTask);
    }
}

在这个示例中，我们创建了两个调度器：ioScheduler 和 cpuScheduler。ioScheduler 使用缓存线程池，适用于 I/O 密集型任务。cpuScheduler 使用固定大小的线程池，适用于计算密集型任务。通过将不同类型的任务分配到不同的调度器，我们可以实现资源隔离，提高应用程序的整体性能。

8. ThreadFactory 的使用

Thread.Builder 接口提供了 factory() 方法，可以创建一个 ThreadFactory，用于创建具有相同属性的线程。这在需要批量创建具有相同配置的线程时非常有用。

import java.util.concurrent.ThreadFactory;

public class VirtualThreadFactoryExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 ThreadFactory，用于创建名称以 "my-thread-" 开头的虚拟线程
        ThreadFactory threadFactory = Thread.ofVirtual()
            .name("my-thread-", 0)
            .factory();

        // 使用 ThreadFactory 创建并启动多个虚拟线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = threadFactory.newThread(() -> {
                System.out.println("Virtual thread running: " + Thread.currentThread().getName());
            });
            thread.start();
        }
    }
}

在这个示例中，我们使用 Thread.ofVirtual().name("my-thread-", 0).factory() 创建了一个 ThreadFactory。name("my-thread-", 0) 方法用于设置线程的名称，第一个参数是线程名称的前缀，第二个参数是线程编号的起始值。ThreadFactory 创建的线程的名称将依次为 "my-thread-0"、"my-thread-1"、"my-thread-2" 等。

9. 平台线程的 Thread.Builder API

虽然我们主要关注虚拟线程，但 Thread.Builder API 同样适用于平台线程。通过 Thread.ofPlatform() 可以创建一个 Thread.OfPlatform 实例，用于定制平台线程的属性。平台线程的 Thread.Builder API 与虚拟线程的类似，但不包含 scheduler() 方法，因为平台线程直接由操作系统调度，不能自定义调度器。

Runnable task = () -> {
    System.out.println("Platform thread running: " + Thread.currentThread().getName());
};

Thread platformThread = Thread.ofPlatform()
    .name("my-platform-thread")
    .daemon(true)
    .start(task);

10. 异常处理

在使用虚拟线程时，需要注意异常处理。未捕获的异常会导致虚拟线程终止，但不会影响载体线程的运行。可以通过 Thread.Builder.uncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler) 方法来设置线程的未捕获异常处理器。

import java.lang.Thread.UncaughtExceptionHandler;

public class VirtualThreadExceptionHandlerExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个未捕获异常处理器
        UncaughtExceptionHandler exceptionHandler = (thread, throwable) -> {
            System.err.println("Uncaught exception in thread: " + thread.getName());
            throwable.printStackTrace();
        };

        // 创建一个虚拟线程，并设置未捕获异常处理器
        Thread virtualThread = Thread.ofVirtual()
            .name("my-virtual-thread")
            .uncaughtExceptionHandler(exceptionHandler)
            .start(() -> {
                throw new RuntimeException("Simulated exception");
            });
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个 UncaughtExceptionHandler，用于处理虚拟线程中未捕获的异常。当虚拟线程抛出异常时，exceptionHandler 会被调用，输出错误信息和堆栈跟踪。

11. 虚拟线程与阻塞 I/O

虚拟线程的一个重要优势是能够很好地处理阻塞 I/O 操作。当虚拟线程执行阻塞 I/O 操作时，载体线程不会被阻塞，而是可以继续执行其他虚拟线程的任务。这使得我们可以使用传统的阻塞式 I/O API，而无需担心性能问题。

12. 重要提示与最佳实践

不要过度使用虚拟线程： 虽然虚拟线程的开销很低，但过度创建虚拟线程仍然会消耗系统资源。应该根据应用程序的实际需求来确定虚拟线程的数量。
避免长时间运行的计算密集型任务： 长时间运行的计算密集型任务会占用载体线程，影响其他虚拟线程的执行。对于长时间运行的计算密集型任务，应该考虑使用平台线程或异步任务。
注意线程安全： 虚拟线程仍然是线程，需要注意线程安全问题。应该使用适当的同步机制来保护共享资源。
监控虚拟线程的性能： 可以使用 Java 监控工具来监控虚拟线程的性能，例如 CPU 使用率、内存使用率等。

13. 结语：虚拟线程带来的改变

Thread.Builder API为我们提供了精细控制虚拟线程创建和调度的能力。通过理解并合理运用这些API，我们可以充分发挥虚拟线程的优势，构建高并发、高性能的Java应用程序。虚拟线程的出现，极大地简化了并发编程模型，使得开发者能够更专注于业务逻辑的实现，而无需过多关注底层线程管理的细节。它代表了Java并发编程的一个重要演进方向。

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