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项目中的一个关键特性：Thread.Builder API。我们将重点关注如何使用这个API来定制虚拟线程的创建过程，并深入理解如何选择和配置不同的调度器，以满足各种应用场景的需求。

1. 虚拟线程简介与优势

在深入Thread.Builder API之前，我们先简单回顾一下虚拟线程的概念及其优势。

传统的Java线程（平台线程）与操作系统内核线程一一对应，创建和管理的开销较大。当并发量增加时，平台线程会消耗大量的系统资源，导致性能瓶颈。

虚拟线程（Virtual Threads），也称为纤程（Fibers），是轻量级的线程，由JVM进行管理。它们不直接绑定到操作系统内核线程，而是通过一种称为“载体线程”（Carrier Threads）的少量平台线程来执行。这种多路复用的方式使得我们可以创建大量的虚拟线程，而无需担心资源消耗问题。

虚拟线程的主要优势包括：

高并发性: 可以轻松创建数百万个虚拟线程，而不会显著增加资源消耗。
低开销: 创建和切换虚拟线程的成本远低于平台线程。
代码兼容性: 虚拟线程与现有的Java代码兼容性良好，大多数情况下无需修改代码即可利用虚拟线程的优势。
简化并发编程: 虚拟线程允许使用传统的阻塞式编程模型，而无需显式地使用回调、Future等异步机制。

2. `Thread.Builder` API：定制线程创建的利器

Thread.Builder API是Java 21引入的用于创建线程的新API。它提供了一种流畅且可配置的方式来创建平台线程和虚拟线程。通过Thread.Builder，我们可以控制线程的名称、守护状态、优先级、上下文类加载器、UncaughtExceptionHandler以及调度器等属性。

Thread.Builder API的核心接口和类包括：

Thread.Builder: 核心接口，用于构建线程实例。
Thread.Builder.OfPlatform: 用于创建平台线程的Builder。
Thread.Builder.OfVirtual: 用于创建虚拟线程的Builder。
Thread.UncaughtExceptionHandler: 用于处理线程中未捕获的异常。
ExecutorService: 用于执行线程任务的执行器服务，可以配置不同的调度器。

3. 创建虚拟线程的几种方式

在Java 21中，创建虚拟线程主要有以下几种方式：

Thread.startVirtualThread(Runnable runnable): 最简单的创建虚拟线程的方式。它使用默认的调度器（通常是ForkJoinPool.commonPool()）。
```
Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Hello from virtual thread!");
});
```
Thread.ofVirtual().start(Runnable runnable): 使用Thread.Builder.OfVirtual创建虚拟线程。这种方式允许配置线程的名称、守护状态等属性。
```
Thread.ofVirtual().name("my-virtual-thread").start(() -> {
    System.out.println("Hello from virtual thread named 'my-virtual-thread'!");
});
```

Thread.ofVirtual().unstarted(Runnable runnable): 创建未启动的虚拟线程。需要手动调用Thread.start()方法启动线程。

Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().name("my-virtual-thread").unstarted(() -> {
    System.out.println("Hello from virtual thread!");
});
virtualThread.start();

ExecutorService.newVirtualThreadPerTaskExecutor(): 创建每次提交任务都创建一个新的虚拟线程的ExecutorService。

try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    executor.submit(() -> {
        System.out.println("Hello from virtual thread!");
    });
} // ExecutorService will be shut down automatically

4. 使用`Thread.Builder`定制虚拟线程

Thread.Builder API 提供了丰富的方法来定制虚拟线程的创建过程。以下是一些常用的方法：

name(String name): 设置线程的名称。方便调试和监控。
daemon(boolean on): 设置线程是否为守护线程。
uncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler eh): 设置线程的未捕获异常处理器。
inheritInheritableThreadLocals(boolean inherit): 设置是否继承父线程的InheritableThreadLocal值。

例如，我们可以创建一个带有自定义名称和未捕获异常处理器的虚拟线程：

Thread.UncaughtExceptionHandler handler = (thread, throwable) -> {
    System.err.println("Thread " + thread.getName() + " threw an exception: " + throwable.getMessage());
};

Thread.ofVirtual()
    .name("my-virtual-thread")
    .uncaughtExceptionHandler(handler)
    .start(() -> {
        throw new RuntimeException("Something went wrong!");
    });

5. 深入理解调度器（Scheduler）

虚拟线程的调度器负责将虚拟线程映射到载体线程上执行。Java Loom默认使用ForkJoinPool.commonPool()作为虚拟线程的调度器。但是，我们可以通过ExecutorService来配置不同的调度器。

ExecutorService是Java并发框架中的一个核心接口，用于管理和执行线程任务。它可以配置不同的调度器，例如：

ForkJoinPool: 一个基于工作窃取算法的线程池，适合于执行计算密集型任务。ForkJoinPool.commonPool()是默认的虚拟线程调度器。
ThreadPoolExecutor: 一个更加灵活的线程池，可以配置核心线程数、最大线程数、队列类型等参数。
Executors.newFixedThreadPool(int nThreads): 创建一个固定大小的线程池。
Executors.newCachedThreadPool(): 创建一个可以根据需要创建新线程的线程池。

调度器选择的重要性

选择合适的调度器对于虚拟线程的性能至关重要。不同的调度器适用于不同的应用场景。

CPU密集型任务: 对于CPU密集型任务，使用ForkJoinPool通常可以获得较好的性能，因为它能够有效地利用多核CPU的资源。
I/O密集型任务: 对于I/O密集型任务，由于虚拟线程可以高效地进行阻塞操作，因此可以选择一个大小合适的线程池，以避免创建过多的载体线程。
混合型任务: 对于同时包含CPU密集型和I/O密集型任务的应用程序，需要根据实际情况进行权衡，选择一个能够平衡CPU利用率和I/O等待时间的调度器。

6. 配置自定义调度器

我们可以通过ExecutorService来配置自定义的虚拟线程调度器。以下是一个示例，演示如何使用ThreadPoolExecutor作为虚拟线程的调度器：

import java.util.concurrent.*;

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 scheduler = new ThreadPoolExecutor(
                4, // corePoolSize
                10, // maximumPoolSize
                60, // keepAliveTime
                TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>() // workQueue
        );

        // 创建一个虚拟线程工厂，使用自定义的调度器
        ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.ofVirtual().factory();

        // 使用虚拟线程工厂和自定义的调度器创建一个 ExecutorService
        ExecutorService executor = Executors.newThreadPerTaskExecutor(virtualThreadFactory);

        // 提交任务给执行器
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskNumber + " running in virtual thread: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟I/O操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("Task " + taskNumber + " completed in virtual thread: " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }

        // 关闭执行器
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);

        scheduler.shutdown();
        scheduler.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

代码解释：

创建自定义调度器： 我们使用ThreadPoolExecutor创建了一个固定大小的线程池，作为虚拟线程的调度器。
创建虚拟线程工厂： 使用Thread.ofVirtual().factory()创建了一个虚拟线程工厂。
创建 ExecutorService: 使用 Executors.newThreadPerTaskExecutor() 和之前创建的虚拟线程工厂创建一个 ExecutorService。这个执行器会为每个提交的任务创建一个新的虚拟线程。
提交任务： 将任务提交给ExecutorService执行。每个任务都会在一个新的虚拟线程中运行。
关闭执行器： 在所有任务完成后，关闭ExecutorService。

注意：

在实际应用中，需要根据具体的应用场景选择合适的线程池参数，例如核心线程数、最大线程数、队列类型等。
需要确保在程序退出前正确关闭ExecutorService，以避免资源泄漏。

7. 调度器选择策略：一些实践建议

选择合适的调度器需要根据应用程序的特点进行分析和实验。以下是一些实践建议：

应用程序类型	调度器选择	理由
I/O密集型	`Executors.newCachedThreadPool()` 或自定义的 `ThreadPoolExecutor`，配置合适的线程数。	I/O密集型任务通常会花费大量时间等待I/O操作完成。虚拟线程可以高效地进行阻塞操作，而无需占用过多的系统资源。`newCachedThreadPool` 可以根据需要动态创建线程，避免资源浪费。`ThreadPoolExecutor` 可以更精确地控制线程池的大小。
CPU密集型	`ForkJoinPool.commonPool()` 或自定义的 `ForkJoinPool`。	CPU密集型任务需要大量的计算资源。`ForkJoinPool` 使用工作窃取算法，可以有效地利用多核CPU的资源。
混合型（I/O + CPU）	复杂，需要根据实际情况进行权衡。可以考虑使用多个`ExecutorService`，分别处理I/O密集型和CPU密集型任务。或者使用一个配置合理的`ThreadPoolExecutor`，并进行性能测试和调优。	混合型应用程序需要平衡CPU利用率和I/O等待时间。需要根据实际情况进行分析和实验，找到一个能够提供最佳性能的调度器配置。可以考虑使用线程池监控工具来分析线程池的运行状态，并根据分析结果进行调整。
任务依赖性强的场景	自定义的 `ExecutorService`，配合 `CompletableFuture` 或其他并发工具。	在任务之间存在依赖关系的情况下，需要使用更高级的并发工具来管理任务的执行顺序和依赖关系。`CompletableFuture` 提供了一种灵活的方式来组合异步任务。自定义 `ExecutorService` 可以更好地控制任务的执行环境。
高并发、低延迟	优化的 `ForkJoinPool` 或专用的调度器实现。需要深入理解虚拟线程的调度机制，并根据应用程序的特点进行定制。可以考虑使用性能分析工具来识别瓶颈，并针对性地进行优化。	高并发、低延迟的应用程序对性能要求非常高。需要对虚拟线程的调度机制进行深入理解，并根据应用程序的特点进行定制。例如，可以调整 `ForkJoinPool` 的参数，或者使用专用的调度器实现。

其他建议：

监控和调优： 使用线程池监控工具（例如JConsole、VisualVM）来监控虚拟线程的运行状态，例如线程数量、CPU利用率、I/O等待时间等。根据监控结果进行调优，例如调整线程池大小、选择不同的调度器等。
避免线程饥饿： 确保载体线程的数量足够，以避免虚拟线程饥饿。如果发现虚拟线程长时间处于等待状态，可以考虑增加载体线程的数量。
避免阻塞载体线程： 尽量避免在虚拟线程中执行长时间的阻塞操作，例如长时间的I/O操作或同步操作。如果必须执行阻塞操作，可以考虑使用CompletableFuture等异步机制，将阻塞操作转移到其他线程执行。

8. 虚拟线程的局限性

虽然虚拟线程具有很多优势，但也存在一些局限性：

并非所有阻塞操作都能获益: 虚拟线程主要针对I/O密集型任务优化。对于CPU密集型任务，虚拟线程的优势并不明显。此外，某些类型的阻塞操作（例如synchronized块中的长时间阻塞）可能会导致载体线程阻塞，从而影响性能。
性能分析工具的兼容性: 一些传统的性能分析工具可能无法正确地识别和分析虚拟线程。需要使用支持虚拟线程的性能分析工具。
调试难度: 由于虚拟线程的调度由JVM管理，因此调试虚拟线程可能会比调试平台线程更加困难。需要使用支持虚拟线程的调试工具，并深入理解虚拟线程的调度机制。
栈空间限制: 虚拟线程的栈空间比平台线程小。如果虚拟线程需要大量的栈空间，可能会导致StackOverflowError。需要注意控制虚拟线程的栈空间使用。

9. 总结

总而言之，Thread.Builder API 为我们提供了强大的工具，用于定制虚拟线程的创建过程，并根据应用程序的需求选择合适的调度器。通过深入理解虚拟线程的特性和调度机制，我们可以充分利用虚拟线程的优势，提高应用程序的并发性和性能。合理的调度器选择和配置是优化虚拟线程应用性能的关键。

10. 持续学习与实践

虚拟线程是Java并发编程领域的一个重要发展方向。建议大家持续学习和实践，掌握虚拟线程的原理和使用技巧，以便在实际项目中更好地应用虚拟线程。不断尝试和优化，才能真正发挥虚拟线程的潜力。