Project Loom 与线程池的微妙关系：调度、Pinning 及应对策略
大家好，今天我们来聊聊 Project Loom 带来的虚拟线程，以及它与传统线程池之间的一些微妙关系，特别是关于线程调度和 pinning 问题。Loom 的出现对现有的并发编程模型带来了革命性的改变，但也引入了一些新的挑战，其中线程池配置的失效以及 carrier 线程的调度和 pinning 问题尤为值得关注。
1. 虚拟线程：轻量级的并发利器
在深入细节之前，我们先简单回顾一下虚拟线程的概念。虚拟线程（Virtual Threads）是 Java 平台通过 Project Loom 引入的一种轻量级线程实现。与传统的操作系统线程（Platform Threads）相比，虚拟线程具有以下显著优势：
- 低成本创建和管理： 虚拟线程的创建和销毁成本极低，可以轻松创建数百万个虚拟线程，而不会耗尽系统资源。
- 用户态调度： 虚拟线程由 Java 虚拟机（JVM）在用户态进行调度，避免了频繁的内核态切换，从而提升了并发性能。
- 阻塞友好： 虚拟线程在阻塞时，不会阻塞底层的操作系统线程，而是将其挂起，并让另一个虚拟线程继续运行。
这些优势使得虚拟线程成为构建高并发、高吞吐量应用程序的理想选择。
2. 线程池：曾经的并发管理霸主
在虚拟线程出现之前，线程池是 Java 并发编程中管理线程资源的主要手段。线程池通过预先创建一组线程，并将任务提交给线程池来执行，从而避免了频繁创建和销毁线程的开销。常见的线程池类型包括：
- 固定大小线程池 (FixedThreadPool): 线程池中线程的数量固定不变。
- 缓存线程池 (CachedThreadPool): 线程池中的线程数量可以动态调整，空闲线程会被回收。
- 调度线程池 (ScheduledThreadPool): 线程池可以执行定时任务和周期性任务。
线程池通过限制并发线程的数量，防止系统资源被过度消耗，从而保证了应用程序的稳定性和性能。
3. Loom 带来的冲击：线程池配置失效？
虚拟线程的出现对传统的线程池模型带来了冲击。由于虚拟线程的创建和管理成本极低，传统的线程池配置策略不再适用。
假设我们有一个使用固定大小线程池的应用程序，用于处理大量的并发请求。
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100); // 假设有100个CPU核心
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
int taskId = i;
executor.submit(() -> {
// 模拟耗时操作
try {
Thread.sleep(100); // 100毫秒的阻塞
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("Task " + taskId + " executed by " + Thread.currentThread());
return null;
});
}
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
在这个例子中，我们创建了一个固定大小为 100 的线程池，并提交了 100000 个任务。如果使用平台线程，线程池的大小限制了并发执行的任务数量，可以防止系统资源被耗尽。但如果使用虚拟线程，线程池的限制就变得不必要了。
如果将上述代码改为使用虚拟线程：
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor(); // 为每个任务创建一个虚拟线程
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
int taskId = i;
executor.submit(() -> {
// 模拟耗时操作
try {
Thread.sleep(100); // 100毫秒的阻塞
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("Task " + taskId + " executed by " + Thread.currentThread());
return null;
});
}
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 会为每个任务创建一个新的虚拟线程。由于虚拟线程的轻量级特性，创建 100000 个虚拟线程并不会造成严重的资源消耗。此时，线程池的概念变得不再重要，甚至会成为性能瓶颈。因为线程池的排队机制可能会导致任务被延迟执行，而直接创建虚拟线程可以立即执行任务。
结论： 在使用虚拟线程的情况下，传统的线程池配置策略可能会失效。我们不再需要限制并发线程的数量，而是应该尽可能地利用虚拟线程的轻量级特性，提高并发性能。
4. Carrier 线程：虚拟线程的幕后英雄
虚拟线程本身并不直接运行在 CPU 上，而是需要借助底层的操作系统线程（称为 Carrier 线程或 Platform 线程）来执行。JVM 会将虚拟线程调度到 Carrier 线程上运行。当虚拟线程发生阻塞时，JVM 会将其从 Carrier 线程上卸载，并调度另一个虚拟线程到该 Carrier 线程上运行。这种机制使得虚拟线程可以高效地利用 CPU 资源，避免了阻塞导致的资源浪费。
5. Pinning 问题：性能杀手
虽然虚拟线程带来了诸多好处，但也引入了一个潜在的性能问题，即 Pinning。当虚拟线程执行某些特定的操作时，可能会被“钉住”（pinned）在 Carrier 线程上，导致无法被卸载。常见的导致 Pinning 的操作包括：
- 同步块（synchronized）： 使用
synchronized关键字修饰的代码块或方法。 - 本地方法调用（JNI）： 调用本地代码（C/C++）的方法。
- 未正确实现的锁： 使用
java.util.concurrent包中某些锁的错误方式。
当虚拟线程被 Pinning 时，如果发生阻塞，会导致 Carrier 线程也被阻塞，从而降低了并发性能。例如，如果一个虚拟线程被 Pinning 在 Carrier 线程上，并且该虚拟线程正在等待 I/O 操作完成，那么 Carrier 线程也会被阻塞，无法执行其他虚拟线程。
6. 如何识别和避免 Pinning？
识别和避免 Pinning 是使用虚拟线程的关键。以下是一些常用的方法：
- 使用 Flight Recorder： Flight Recorder 是 JVM 自带的性能分析工具，可以用来监控虚拟线程的 Pinning 情况。通过分析 Flight Recorder 的数据，可以找到导致 Pinning 的代码。
- 避免使用
synchronized： 尽可能使用java.util.concurrent包中的并发工具类，例如ReentrantLock、StampedLock等。这些工具类在设计时考虑了虚拟线程的特性，可以避免 Pinning 问题。 - 避免使用 JNI： 尽量避免调用本地方法。如果必须使用 JNI，需要确保本地代码不会阻塞 Carrier 线程。
- 代码审查： 对代码进行仔细的审查，查找可能导致 Pinning 的操作。
7. 代码示例：Pinning 的演示与规避
示例 1：synchronized 导致的 Pinning
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class PinningExample {
private static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
int taskId = i;
executor.submit(() -> {
synchronized (lock) { // 导致 Pinning
try {
Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("Task " + taskId + " executed by " + Thread.currentThread());
}
return null;
});
}
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
}
}
在这个例子中，每个任务都使用 synchronized 关键字来保护临界区。由于 synchronized 会导致 Pinning，因此当虚拟线程在 synchronized 块中阻塞时，Carrier 线程也会被阻塞，从而降低了并发性能。
示例 2：使用 ReentrantLock 避免 Pinning
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class PinningAvoidanceExample {
private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
int taskId = i;
executor.submit(() -> {
lock.lock(); // 使用 ReentrantLock
try {
Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
System.out.println("Task " + taskId + " executed by " + Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
lock.unlock();
}
return null;
});
}
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
}
}在这个例子中，我们使用 ReentrantLock 来代替 synchronized 关键字。ReentrantLock 在设计时考虑了虚拟线程的特性，可以避免 Pinning 问题。因此，当虚拟线程在 ReentrantLock 保护的临界区中阻塞时，Carrier 线程不会被阻塞，可以继续执行其他虚拟线程。
8. 虚拟线程与线程池的协同：并非完全抛弃
虽然虚拟线程在很多场景下可以替代传统的线程池，但并非意味着线程池完全没有用武之地。在某些特定的场景下，线程池仍然可以发挥作用。例如：
- 限制资源消耗： 如果应用程序需要访问一些外部资源，例如数据库连接、文件句柄等，可以使用线程池来限制并发访问这些资源的数量，防止资源被耗尽。
- 任务优先级管理： 可以使用线程池来管理任务的优先级。将不同优先级的任务提交到不同的线程池中，可以保证高优先级的任务优先执行。
在这种情况下，可以将虚拟线程与线程池结合使用。例如，可以使用线程池来限制并发访问外部资源的虚拟线程的数量。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class VirtualThreadWithThreadPoolExample {
private static final Semaphore resourceSemaphore = new Semaphore(10); // 限制并发访问资源的数量
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService virtualThreadExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
ExecutorService resourceAccessExecutor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 使用线程池限制资源访问
for (int i = 0; i < 100; i++) {
int taskId = i;
virtualThreadExecutor.submit(() -> {
try {
resourceSemaphore.acquire(); // 获取资源访问许可
resourceAccessExecutor.submit(() -> {
try {
// 模拟访问外部资源
Thread.sleep(100);
System.out.println("Task " + taskId + " accessed resource by " + Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
resourceSemaphore.release(); // 释放资源访问许可
}
return null;
});
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
return null;
});
}
virtualThreadExecutor.shutdown();
virtualThreadExecutor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
resourceAccessExecutor.shutdown();
resourceAccessExecutor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.NANOSECONDS);
}
}在这个例子中，我们使用 Semaphore 来限制并发访问外部资源的数量。虚拟线程负责提交任务，而线程池负责执行访问外部资源的任务。通过这种方式，可以充分利用虚拟线程的轻量级特性，同时保证外部资源不会被过度访问。
表格总结：虚拟线程与平台线程的对比
| 特性 | 虚拟线程 (Virtual Threads) | 平台线程 (Platform Threads) |
|---|---|---|
| 创建成本 | 低 | 高 |
| 调度 | 用户态调度 | 内核态调度 |
| 阻塞 | 非阻塞 Carrier 线程 | 阻塞 Carrier 线程 |
| 数量 | 数百万 | 受操作系统限制 |
| 适用场景 | 高并发、I/O 密集型应用 | CPU 密集型应用 |
| 是否会导致Pinning | 是，需要避免 | 否 |
| 线程池配置 | 传统配置策略失效，需重新评估 | 适用传统配置策略 |
9. Loom 未来的发展趋势
Project Loom 目前还处于预览阶段，但已经展现出了巨大的潜力。随着 Loom 的不断发展，我们可以期待以下一些趋势：
- 更完善的 Pinning 检测和规避机制： JVM 可能会提供更强大的工具来检测和规避 Pinning 问题。
- 更智能的 Carrier 线程调度： JVM 可能会根据应用程序的负载情况，动态调整 Carrier 线程的数量和调度策略，从而进一步提高并发性能。
- 更丰富的并发编程 API： Java 平台可能会提供更多基于虚拟线程的并发编程 API，简化并发编程的难度。
结论：拥抱虚拟线程，迎接并发编程新时代
Project Loom 的虚拟线程为并发编程带来了革命性的改变。虽然虚拟线程也引入了一些新的挑战，例如 Pinning 问题，但通过合理的策略，我们可以充分利用虚拟线程的优势，构建更高性能、更可扩展的应用程序。
虚拟线程的出现并不意味着线程池的完全消亡，在某些场景下，线程池仍然可以发挥作用。我们需要根据具体的应用场景，选择合适的并发编程模型，并不断学习和掌握新的技术，才能更好地应对并发编程的挑战。
总而言之，虚拟线程的出现是 Java 并发编程的一个重要里程碑，我们应该积极拥抱这一新技术，迎接并发编程的新时代。
未来的方向：持续优化与演进
随着 Project Loom 的持续发展，围绕虚拟线程的生态系统会逐渐完善。开发者需要关注新的 API、工具和最佳实践，以便更好地利用虚拟线程的优势，构建高效、可维护的并发应用。同时，也要密切关注虚拟线程可能带来的潜在问题，并及时采取应对措施，确保应用程序的稳定性和性能。