Project Loom 虚拟线程的调度与抢占：对传统线程池模型的颠覆性革新
各位好，今天我们来聊聊 Project Loom 带来的虚拟线程，以及它在调度和抢占方面对传统线程池模型的颠覆性革新。Loom 的出现，有望解决长期以来困扰 Java 开发者的并发难题，尤其是在高并发、IO 密集型的场景下。
1. 传统线程模型的困境
在深入虚拟线程之前，我们需要回顾一下传统线程模型面临的挑战。Java 一直以来使用的都是基于操作系统线程的实现。这意味着每一个 Java 线程都对应着一个内核线程。
- 资源消耗大： 内核线程的创建、销毁和上下文切换都需要消耗大量的系统资源。每个线程都需要分配一定的栈空间（通常是几兆字节），大量的线程会导致内存资源的急剧消耗。
- 上下文切换开销高： 当线程因为阻塞（例如 IO 操作）而需要让出 CPU 时，操作系统需要进行上下文切换，保存当前线程的状态，加载另一个线程的状态。这个过程开销很大，在高并发场景下会显著降低系统性能。
- 并发度受限： 由于资源和上下文切换的限制，操作系统能够支持的并发线程数量是有限的。在高并发场景下，线程数量达到瓶颈后，系统性能会急剧下降。
- 代码复杂性： 传统多线程编程容易出错，需要处理线程安全、死锁、竞态条件等问题，增加了代码的复杂性和维护成本。
为了解决这些问题，通常会采用线程池技术。线程池可以减少线程创建和销毁的开销，提高线程的复用率，但它仍然无法突破内核线程的限制。线程池的大小需要根据实际情况进行调整，过大或过小都会影响性能。
2. 虚拟线程的诞生：用户态线程的崛起
Project Loom 引入了虚拟线程 (Virtual Threads)，也称为纤程 (Fibers)。虚拟线程是一种轻量级的用户态线程，由 JVM 管理，而不是由操作系统内核管理。
- 轻量级： 虚拟线程的创建、销毁和上下文切换开销非常小，几乎可以忽略不计。它们不需要像内核线程那样分配大量的栈空间，可以支持创建数百万甚至数千万个虚拟线程。
- 用户态调度： 虚拟线程的调度由 JVM 负责，不需要操作系统内核的参与。这避免了内核线程上下文切换的开销，提高了并发性能。
- 阻塞即挂起： 当虚拟线程执行阻塞 IO 操作时，它会被挂起，而不是阻塞底层的内核线程。JVM 会自动将执行权切换到另一个可运行的虚拟线程，从而充分利用 CPU 资源。
- 简化并发编程： 虚拟线程可以像普通线程一样使用，开发者不需要关心底层的线程池和上下文切换，从而简化了并发编程。
3. 虚拟线程的调度与抢占机制
虚拟线程的调度与抢占机制是其核心特性之一，也是其实现高并发的关键。
- 调度器 (Scheduler)： 虚拟线程的调度由 JVM 中的调度器负责。默认情况下，JVM 使用一个基于 ForkJoinPool 的调度器。这个调度器会将虚拟线程分配给底层的内核线程 (Carrier Threads) 执行。
- 挂载点 (Mount Point)： 虚拟线程在执行 IO 操作或进行阻塞调用时，会到达一个挂载点。这时，虚拟线程会被挂起，底层的内核线程可以继续执行其他虚拟线程。
- 抢占： 虚拟线程的调度是协作式的，而不是抢占式的。这意味着虚拟线程只有在到达挂载点时才会让出 CPU。但是，如果一个虚拟线程执行了长时间的 CPU 密集型任务，可能会阻塞底层的内核线程，影响其他虚拟线程的执行。为了解决这个问题，Loom 引入了抢占机制。JVM 会定期检查虚拟线程的执行时间，如果超过了某个阈值，就会强制挂起该虚拟线程，让出 CPU。这个阈值可以通过
-Djdk.virtualThreadScheduler.maxContinuation=XXX参数进行配置，单位是毫秒。 - 延续 (Continuation)： 虚拟线程挂起后，其状态会被保存到一个延续对象中。当虚拟线程需要恢复执行时，JVM 会从延续对象中恢复其状态，并将其分配给一个可用的内核线程。
4. 虚拟线程的代码示例
下面是一些使用虚拟线程的代码示例，展示了如何创建、启动和使用虚拟线程。
import java.time.Duration;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class VirtualThreadExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建一个虚拟线程
Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
System.out.println("Hello from virtual thread: " + Thread.currentThread());
try {
Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1)); // 模拟 IO 操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Virtual thread finished: " + Thread.currentThread());
});
// 等待虚拟线程执行完成
virtualThread.join();
// 使用 ExecutorService 创建多个虚拟线程
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int taskNumber = i;
executor.submit(() -> {
System.out.println("Task " + taskNumber + " running in virtual thread: " + Thread.currentThread());
try {
Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1)); // 模拟 IO 操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Task " + taskNumber + " finished in virtual thread: " + Thread.currentThread());
});
}
} // try-with-resources 会自动关闭 executor
// 自定义 ThreadFactory 创建虚拟线程
ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.ofVirtual().name("my-virtual-thread-", new AtomicInteger(0)).factory();
Thread myVirtualThread = virtualThreadFactory.newThread(() -> {
System.out.println("Hello from my virtual thread: " + Thread.currentThread());
});
myVirtualThread.start();
myVirtualThread.join();
// 使用平台线程(Platform Thread)进行对比
Thread platformThread = new Thread(() -> {
System.out.println("Hello from platform thread: " + Thread.currentThread());
try {
Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1)); // 模拟 IO 操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Platform thread finished: " + Thread.currentThread());
});
platformThread.start();
platformThread.join();
System.out.println("Main thread finished.");
}
}这个例子演示了如何创建单个虚拟线程，如何使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 创建一个为每个任务创建一个虚拟线程的执行器，如何自定义 ThreadFactory 创建虚拟线程，以及如何与平台线程进行对比。
5. 虚拟线程与传统线程池的比较
| 特性 | 虚拟线程 (Virtual Threads) | 传统线程池 (Thread Pools) |
|---|---|---|
| 线程类型 | 用户态线程 | 内核态线程 |
| 创建/销毁开销 | 非常低 | 较高 |
| 上下文切换开销 | 非常低 | 较高 |
| 并发度 | 非常高 (数百万甚至数千万) | 受限 (受内核线程限制) |
| 调度器 | JVM 调度器 (默认基于 ForkJoinPool) | 操作系统内核调度器 |
| 阻塞处理 | 阻塞时挂起，不阻塞底层内核线程 | 阻塞底层内核线程 |
| 编程模型 | 简单，像普通线程一样使用 | 复杂，需要管理线程池大小、线程安全等问题 |
| 适用场景 | 高并发、IO 密集型 | CPU 密集型，或者 IO 密集型但并发度不高的场景 |
| 资源消耗 | 低 | 高 |
| 抢占机制 | 有 (通过定期检查执行时间) | 无 (完全依赖操作系统内核调度) |
6. 虚拟线程的优势与应用场景
虚拟线程的优势主要体现在以下几个方面：
- 提高并发性能： 虚拟线程可以支持创建大量的并发线程，并且上下文切换开销很小，从而显著提高并发性能。
- 简化并发编程： 虚拟线程可以像普通线程一样使用，开发者不需要关心底层的线程池和上下文切换，从而简化了并发编程。
- 提高资源利用率： 虚拟线程在阻塞时会被挂起，不会阻塞底层的内核线程，从而提高了 CPU 资源的利用率。
虚拟线程的应用场景主要包括：
- 高并发服务器： 例如 Web 服务器、应用服务器等，可以处理大量的并发请求。
- 微服务架构： 每个微服务可以使用大量的虚拟线程来处理并发请求，提高系统的吞吐量和响应速度。
- 异步编程： 可以使用虚拟线程来简化异步编程，例如执行异步任务、处理异步事件等。
- 响应式编程： 虚拟线程可以与响应式编程框架 (例如 Reactor、RxJava) 结合使用，实现高并发、低延迟的响应式应用。
7. 虚拟线程的局限性与注意事项
虽然虚拟线程有很多优势，但也存在一些局限性和需要注意的地方：
- CPU 密集型任务： 虚拟线程更适合 IO 密集型任务，对于 CPU 密集型任务，虚拟线程的性能可能不如传统线程。这是因为虚拟线程的调度是协作式的，如果一个虚拟线程执行了长时间的 CPU 密集型任务，可能会阻塞底层的内核线程，影响其他虚拟线程的执行。
- 遗留代码兼容性： 一些遗留代码可能依赖于线程本地变量 (ThreadLocal)，而虚拟线程对线程本地变量的处理方式与传统线程有所不同。在使用虚拟线程时，需要注意这些遗留代码的兼容性。
- 监控与调试： 虚拟线程的监控与调试可能比传统线程更加复杂。需要使用专门的工具和技术来监控虚拟线程的运行状态，并进行故障排除。
- 并非万能药： 虚拟线程并不能解决所有并发问题。在某些情况下，仍然需要使用传统的线程池或其他并发技术。
8. 虚拟线程对现有代码的影响
将现有代码迁移到虚拟线程通常需要进行一些修改，但总体来说，迁移的成本并不高。
- 线程创建方式： 需要将
new Thread()替换为Thread.ofVirtual().start()或Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()。 - 线程本地变量： 需要注意线程本地变量的使用，如果需要使用线程本地变量，可以使用
ThreadLocal.withInitial()或InheritableThreadLocal。 - 阻塞 IO 操作： 虚拟线程可以自动处理阻塞 IO 操作，不需要进行额外的处理。
9. Loom 之外的其它选择：协程
除了 Project Loom 提供的虚拟线程，还有其他一些技术可以用来实现轻量级并发，例如协程 (Coroutine)。 Kotlin、Go 等语言都提供了协程的支持。协程与虚拟线程类似，也是一种用户态线程，但它们的实现方式和调度机制有所不同。
- Kotlin 协程： Kotlin 协程是基于状态机的实现，通过挂起和恢复操作来实现并发。Kotlin 协程需要在编译时进行转换，因此需要使用 Kotlin 编译器。
- Go 协程 (Goroutine)： Go 协程是基于 GMP 模型 (G: Goroutine, M: Machine, P: Processor) 的实现，由 Go 运行时系统进行调度。Go 协程的调度更加灵活，可以实现真正的并发。
10. 总结：虚拟线程重塑并发编程
Project Loom 带来的虚拟线程是 Java 并发编程领域的一项重大革新。它通过引入轻量级的用户态线程，简化了并发编程，提高了并发性能，降低了资源消耗。虚拟线程的出现，有望改变 Java 开发者的并发编程方式，为构建高并发、低延迟的应用提供了新的选择。虽然虚拟线程并非万能药，但也为解决并发问题提供了一种全新的思路。在实际应用中，我们需要根据具体的场景选择合适的并发技术，才能达到最佳的性能和效果。