Project Loom虚拟线程的调度器（Scheduler）源码解析：轻量级并发的奥秘 - 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

Project Loom 虚拟线程的调度器：轻量级并发的奥秘

大家好，今天我们深入探讨 Project Loom 的核心组件之一：虚拟线程的调度器。虚拟线程作为 Loom 引入的轻量级并发机制，其高效的调度完全依赖于背后精巧的调度器设计。理解调度器的工作原理，是掌握虚拟线程的关键。

1. 虚拟线程与平台线程：差异与关联

在深入调度器之前，我们先回顾一下虚拟线程和平台线程（传统意义上的线程，通常被称为内核线程）的区别。

特性	平台线程 (Platform Thread)	虚拟线程 (Virtual Thread)
实现方式	操作系统内核管理	Java 运行时管理
资源消耗	相对较大	非常小
上下文切换	相对较慢	非常快
数量限制	受操作系统限制	理论上数量巨大
阻塞	阻塞内核线程	仅阻塞载体线程 (Carrier Thread)

关键区别在于，虚拟线程并非直接对应于操作系统内核线程。相反，多个虚拟线程可以并发地运行在少量的平台线程之上，这些平台线程被称为 载体线程 (Carrier Thread)。虚拟线程的阻塞不会阻塞载体线程，这使得载体线程可以服务于其他虚拟线程，从而实现高并发。

2. ForkJoinPool：默认的载体线程池

默认情况下，Project Loom 使用 ForkJoinPool 作为虚拟线程的载体线程池。 ForkJoinPool 是一种工作窃取 (Work-Stealing) 线程池，它非常适合执行大量的小任务。

// 默认的载体线程池
ExecutorService carrierExecutor = ForkJoinPool.commonPool();

// 创建并运行虚拟线程
Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("虚拟线程执行中...");
    try {
        Thread.sleep(1000); // 模拟阻塞
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("虚拟线程执行完毕");
});

上面的代码片段展示了如何使用默认的 ForkJoinPool 来运行虚拟线程。 Thread.startVirtualThread() 方法内部会将虚拟线程提交到 ForkJoinPool 执行。

3. 调度器的核心：Continuation

Continuation 是 Project Loom 的核心概念，也是虚拟线程调度器的基础。 Continuation 代表一个可恢复的计算单元，它保存了程序执行的状态，包括栈、局部变量和程序计数器。当虚拟线程阻塞时，其对应的 Continuation 会被挂起 (parked)，而载体线程则可以继续执行其他虚拟线程的 Continuation。

可以把 Continuation 看作是虚拟线程的“快照”，包含了虚拟线程执行到某个时刻的所有信息。

4. 调度器的基本流程

虚拟线程的调度过程大致如下：

提交任务： 创建虚拟线程后，将其对应的 Continuation 提交到载体线程池 (例如 ForkJoinPool)。
执行 Continuation： 载体线程从线程池中获取一个 Continuation 并执行。
阻塞/挂起： 如果 Continuation 中的代码发生阻塞（例如 I/O 操作或 Thread.sleep()），则当前 Continuation 会被挂起 (parked)，并将控制权交还给载体线程池。
切换 Context： 当 Continuation 被挂起时，调度器会保存当前虚拟线程的上下文，并将载体线程的上下文切换到另一个可运行的 Continuation。
恢复/唤醒： 当阻塞操作完成时，被挂起的 Continuation 会被唤醒 (unparked)，并重新提交到载体线程池等待执行。
继续执行： 载体线程再次获取到该 Continuation 时，会从之前挂起的地方继续执行，仿佛没有发生过阻塞。

5. ContinuationScope：控制 Continnation 的生命周期

ContinuationScope 用于控制 Continuation 的创建和执行。每个 Continuation 都与一个 ContinuationScope 关联。

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); // 显式挂起 Continuation
            System.out.println("Continuation resumed");
        });

        System.out.println("Before Continuation.run");
        continuation.run();
        System.out.println("After first Continuation.run");
        continuation.run();
        System.out.println("After second Continuation.run");

    }
}

这个例子展示了 Continuation 的基本用法。 Continuation.yield(scope) 方法用于显式地挂起 Continuation。 continuation.run() 方法可以恢复 Continuation 的执行。

6. 深入源码：Continuation 的实现细节

虽然 Continuation 的具体实现细节是 JVM 内部的，不对外暴露，但我们可以通过一些方式来了解它的工作原理。

栈的保存和恢复： 当 Continuation 被挂起时，其栈信息会被保存到堆上。当 Continuation 被恢复时，栈信息会从堆上加载到线程的栈中。这涉及到对栈帧的复制和修改，需要底层 JVM 的支持。
上下文切换： Continuation 的上下文切换比平台线程的上下文切换要轻量得多，因为它不需要操作系统内核的参与。只需要保存和恢复少量的寄存器信息，以及栈指针。
与 ForkJoinPool 的集成： ForkJoinPool 负责管理载体线程，并将 Continuation 提交到载体线程执行。当 Continuation 阻塞时，ForkJoinPool 会自动将载体线程分配给其他可运行的 Continuation。

7. 调度器的优化策略

为了提高虚拟线程的调度效率，Project Loom 的调度器采用了多种优化策略：

工作窃取 (Work-Stealing)： ForkJoinPool 使用工作窃取算法，可以有效地平衡各个载体线程的负载。当一个载体线程空闲时，它可以从其他载体线程的任务队列中窃取任务。
偏向锁 (Biased Locking)： 虚拟线程在同步操作时，会尝试使用偏向锁。如果一个锁总是被同一个虚拟线程持有，则偏向锁可以避免昂贵的锁竞争。
自适应自旋 (Adaptive Spinning)： 虚拟线程在尝试获取锁时，会先进行自旋，而不是立即阻塞。如果锁很快就能被释放，则自旋可以避免上下文切换的开销。

8. 模拟虚拟线程调度：一个简化的例子

为了更好地理解虚拟线程的调度过程，我们可以用 Java 代码模拟一个简化的调度器。这个例子省略了很多细节，但可以帮助我们了解核心概念。

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class SimpleVirtualThreadScheduler {

    private static final int NUM_CARRIER_THREADS = 4;
    private static final ExecutorService carrierExecutor = Executors.newFixedThreadPool(NUM_CARRIER_THREADS);
    private static final Queue<VirtualTask> taskQueue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

    static class VirtualTask implements Runnable {
        private final Runnable runnable;
        private volatile boolean parked = false;
        private Thread carrierThread;

        public VirtualTask(Runnable runnable) {
            this.runnable = runnable;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                runnable.run();
            } catch (ParkException e) {
                parked = true;
                carrierThread = Thread.currentThread();
                LockSupport.park(); // 阻塞载体线程
                parked = false;
            }
        }

        public void unpark() {
            if (parked) {
                LockSupport.unpark(carrierThread);
            }
        }
    }

    static class ParkException extends RuntimeException {}

    public static void park() {
        throw new ParkException();
    }

    public static void submit(Runnable runnable) {
        VirtualTask task = new VirtualTask(runnable);
        taskQueue.offer(task);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 启动载体线程
        for (int i = 0; i < NUM_CARRIER_THREADS; i++) {
            carrierExecutor.submit(() -> {
                while (true) {
                    VirtualTask task = taskQueue.poll();
                    if (task != null) {
                        task.run();
                    } else {
                        Thread.yield(); // 让出 CPU
                    }
                }
            });
        }

        // 提交虚拟线程任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int taskId = i;
            submit(() -> {
                System.out.println("Virtual thread " + taskId + " started");
                try {
                    Thread.sleep(100); // 模拟 I/O 操作
                    park(); // 模拟阻塞，手动挂起
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Virtual thread " + taskId + " resumed");
            });
        }

        Thread.sleep(500); // 等待一段时间，模拟 I/O 完成

        // 唤醒所有挂起的虚拟线程
        taskQueue.forEach(VirtualTask::unpark);

        carrierExecutor.shutdown();
    }
}

在这个例子中，我们模拟了一个简单的调度器，它使用一个 ConcurrentLinkedQueue 来保存虚拟线程任务。 park() 方法通过抛出一个 ParkException 来模拟阻塞，并使用 LockSupport.park() 阻塞载体线程。 unpark() 方法使用 LockSupport.unpark() 唤醒载体线程。

9. 使用场景和注意事项

虚拟线程非常适合 I/O 密集型的应用，例如 Web 服务器、微服务和数据库连接池。通过使用虚拟线程，可以显著提高应用的并发能力和吞吐量。

在使用虚拟线程时，需要注意以下几点：

避免 CPU 密集型任务： 虚拟线程主要用于 I/O 密集型任务。对于 CPU 密集型任务，使用平台线程可能更合适。
合理设置载体线程池大小： 载体线程池的大小应该根据应用的负载和硬件资源进行调整。
注意锁竞争： 虚拟线程的上下文切换非常快，但锁竞争仍然会降低性能。尽量减少锁的使用，并使用并发集合来避免锁竞争。
监控和调优： 使用监控工具来监控虚拟线程的性能，并根据需要进行调优。

10. 总结

虚拟线程的调度器是 Project Loom 的核心组件，它通过 Continuation 和载体线程池实现了高效的轻量级并发。理解调度器的工作原理，可以帮助我们更好地利用虚拟线程来构建高性能的应用。 Project Loom 的引入，无疑是 Java 并发编程领域的一次重大革新。

虚拟线程的调度器：轻量级并发的关键
虚拟线程依赖于 Continuation 机制，并通过载体线程池实现高效调度，是Project Loom 实现轻量级并发的基础。

Project Loom 虚拟线程的调度器：轻量级并发的奥秘

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