Java Loom 虚拟线程：调度器如何实现用户态的抢占式调度
大家好，今天我们深入探讨Java Loom项目中虚拟线程（Virtual Threads）的调度器，以及它如何在用户态实现抢占式调度。这是一个相当复杂但又非常迷人的领域，理解它有助于我们更高效地利用虚拟线程，编写出更高并发性能的应用程序。
1. 线程调度的基本概念：内核态与用户态
在深入虚拟线程的调度器之前，我们需要回顾一下线程调度的基本概念，以及内核态调度和用户态调度的区别：
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内核态调度 (Kernel-Level Scheduling): 这是传统操作系统提供的线程调度方式。每个线程都被操作系统视为一个独立的执行单元，由内核的调度器负责线程的创建、销毁、上下文切换等操作。内核调度器通常基于优先级、时间片等策略，从就绪队列中选择一个线程运行，并在适当的时候（例如，时间片用完、发生I/O阻塞等）将其切换出去，选择另一个线程运行。
- 优点: 稳定可靠，由操作系统内核管理，对应用程序透明。
- 缺点: 上下文切换开销大，因为需要陷入内核态，涉及大量的寄存器保存和恢复，以及TLB刷新等操作。
- 适用场景: 线程数量不多，对性能要求不是极致敏感的场景。
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用户态调度 (User-Level Scheduling): 线程调度由应用程序自己实现，操作系统内核只负责管理进程。应用程序创建多个轻量级的“用户线程”，并维护一个用户态的调度器，负责在这些用户线程之间进行切换。内核只感知到进程的存在，而对进程内部的线程一无所知。
- 优点: 上下文切换开销小，因为不需要陷入内核态，只需要在用户空间进行寄存器保存和恢复等操作。
- 缺点: 需要应用程序自己实现调度逻辑，较为复杂；如果一个用户线程发生阻塞，整个进程都会被阻塞（除非使用非阻塞I/O）；难以利用多核CPU的并行能力（除非使用多个进程）。
- 适用场景: 大量并发的轻量级任务，对上下文切换开销非常敏感的场景。
2. 虚拟线程：用户态调度的演进
虚拟线程是Java Loom项目引入的一种新型线程，它是一种用户态线程。虚拟线程的目标是降低线程的创建和管理的开销，从而支持大规模并发。
传统的用户态线程存在一些问题，例如，如果一个用户线程阻塞，整个进程都会阻塞。虚拟线程通过一种叫做“载体线程”（Carrier Thread）的技术来解决这个问题。载体线程是绑定到操作系统线程（通常是平台线程）的线程，虚拟线程在载体线程上运行。当一个虚拟线程阻塞时，它的载体线程可以“卸载”这个虚拟线程，并切换到另一个就绪的虚拟线程。这样，一个虚拟线程的阻塞不会导致整个进程阻塞。
3. 虚拟线程调度器的核心组件
虚拟线程的调度器主要由以下几个核心组件组成：
- ForkJoinPool： 虚拟线程的默认调度器基于
ForkJoinPool。ForkJoinPool是Java 并发框架中的一个线程池，它使用工作窃取算法（work-stealing）来平衡任务负载。 - Carrier Thread (载体线程): 虚拟线程运行在载体线程上。载体线程通常是平台线程，由
ForkJoinPool管理。 - Continuation (延续):
Continuation是一个轻量级的执行上下文，它保存了虚拟线程的执行状态，包括栈帧、局部变量等。当虚拟线程被阻塞或被抢占时，它的Continuation会被保存下来，以便稍后恢复执行。 - Scheduler (调度器接口): 一个用于调度和执行虚拟线程的抽象接口。 默认实现是使用
ForkJoinPool。
4. 虚拟线程调度的流程
虚拟线程的调度流程大致如下：
- 创建虚拟线程: 当创建一个虚拟线程时，会创建一个
Continuation对象，用于保存虚拟线程的执行状态。 - 提交虚拟线程到调度器: 虚拟线程会被提交到
ForkJoinPool中。 - 载体线程执行虚拟线程:
ForkJoinPool中的一个载体线程会从任务队列中取出一个虚拟线程，并执行它的Continuation。 - 虚拟线程阻塞或被抢占: 当虚拟线程执行到阻塞点（例如，I/O操作、锁等待）或者被抢占时，它的
Continuation会被保存下来，载体线程会切换到另一个就绪的虚拟线程。 - 恢复虚拟线程: 当虚拟线程的阻塞条件解除或者被调度器选中时，它的
Continuation会被恢复，虚拟线程从上次中断的地方继续执行。
5. 用户态抢占式调度的实现
虚拟线程的调度器如何在用户态实现抢占式调度？这涉及到几个关键的技术：
- 合作式调度 (Cooperative Scheduling): 虚拟线程默认采用合作式调度。这意味着虚拟线程需要主动让出CPU，例如，通过调用
Thread.yield()方法。 - 阻塞点检测: 虚拟线程的调度器会检测虚拟线程是否进入阻塞状态。例如，当虚拟线程调用
java.io包中的阻塞I/O方法时，调度器会检测到这个阻塞，并将虚拟线程的Continuation保存下来。 jdk.internal.vm.Continuation类: 这个类是实现虚拟线程的核心。 它捕获和恢复虚拟线程的执行状态，允许在用户态进行上下文切换。
代码示例：手动挂起和恢复Continuation
下面是一个简单的代码示例，演示了如何手动挂起和恢复 Continuation：
import jdk.internal.vm.Continuation;
public class ContinuationExample {
public static void main(String[] args) {
Continuation c = new Continuation(() -> {
System.out.println("Inside continuation, before yield");
Continuation.yield(); // 手动挂起
System.out.println("Inside continuation, after resume");
});
System.out.println("Before continuation run");
c.run();
System.out.println("After first run, before resume");
c.run(); // 恢复执行
System.out.println("After second run");
}
}输出结果：
Before continuation run
Inside continuation, before yield
After first run, before resume
Inside continuation, after resume
After second run这个例子展示了 Continuation.yield() 方法的作用：它将当前 Continuation 挂起，并将控制权返回给调用者。当调用 c.run() 再次恢复执行时，Continuation 从 Continuation.yield() 方法之后的位置继续执行。
6. Loom如何实现抢占式调度？
虽然 Continuation 提供了挂起和恢复执行的能力，但它本身并不提供抢占式调度。真正的抢占式调度涉及到一种机制，可以在虚拟线程执行过程中，强制中断它的执行，并将控制权转移到另一个虚拟线程。
Loom 引入了一种基于 park/unpark 机制的协作式抢占。 具体来说：
- Park/Unpark机制: 这是Java并发包中的一个基本机制，用于线程的阻塞和唤醒。虚拟线程的
park操作会将虚拟线程阻塞，直到被unpark唤醒。 - 周期性检查: 载体线程（运行虚拟线程的平台线程）会周期性地检查是否有更高优先级的虚拟线程需要运行。
- 强制挂起: 如果载体线程发现有更高优先级的虚拟线程需要运行，它会通过某种机制（例如，设置一个标志位）通知当前正在运行的虚拟线程，让它主动调用
park方法挂起自己。 - 恢复执行: 当当前虚拟线程挂起后，载体线程会选择另一个就绪的虚拟线程，并
unpark它，让它恢复执行。
这种方式并不是严格意义上的抢占式调度，因为它依赖于虚拟线程主动让出CPU。但是，通过周期性检查和强制挂起机制，可以模拟出抢占式调度的效果。
7. 虚拟线程调度器的优势
虚拟线程调度器相比于传统的内核态调度，具有以下优势：
- 更低的上下文切换开销: 虚拟线程的上下文切换只需要在用户空间进行，避免了陷入内核态的开销，因此速度更快。
- 更高的并发能力: 虚拟线程的创建和管理开销很低，可以支持创建大量的虚拟线程，从而提高并发能力。
- 更好的可伸缩性: 虚拟线程可以更好地利用多核CPU的并行能力，从而提高应用程序的可伸缩性。
8. 调度策略的演进与思考
虚拟线程的调度策略是一个不断演进的过程。 最初的设计侧重于简单性和易用性，例如，使用 ForkJoinPool 作为默认调度器。 然而，随着虚拟线程的广泛应用，人们对调度器的性能和灵活性提出了更高的要求。
未来的发展方向可能包括：
- 更智能的调度算法: 探索更高级的调度算法，例如，基于优先级的调度、基于QoS的调度等，以满足不同应用程序的需求。
- 可定制的调度器: 允许应用程序自定义调度器，以便更好地控制虚拟线程的调度行为。
- 更好的集成: 与其他并发框架（例如，Reactor、Akka）更好地集成，以提供更全面的并发解决方案。
9. Loom虚拟线程调度器的重要性总结
Java Loom虚拟线程的调度器是实现高并发、低延迟应用程序的关键。 它通过用户态的抢占式调度，降低了线程的创建和管理的开销，提高了应用程序的可伸缩性。 理解虚拟线程调度器的原理和机制，有助于我们更好地利用虚拟线程，编写出更高性能的应用程序。