Project Loom虚拟线程（Fiber）的底层调度原理：对传统线程模型的颠覆性革新 - 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（Fiber）的底层调度原理：对传统线程模型的颠覆性革新

各位听众，大家好！今天，我们将深入探讨Project Loom带来的虚拟线程，又称Fiber，以及它对传统线程模型的颠覆性革新。我们将从传统线程模型的问题入手，逐步剖析虚拟线程的底层调度原理，并通过代码示例来加深理解。

传统线程模型的困境：阻塞的代价

在传统的Java线程模型中，每个Java线程通常对应一个操作系统线程。这种一对一的映射关系带来了诸多问题，尤其是在高并发场景下。

资源消耗大： 创建和维护操作系统线程的开销是巨大的。每个线程都需要分配独立的栈空间（通常是MB级别），这限制了系统能同时运行的线程数量。
上下文切换开销高： 当线程阻塞时（例如等待I/O），操作系统需要进行上下文切换，保存当前线程的状态，然后恢复另一个线程的状态。频繁的上下文切换会消耗大量的CPU资源。
阻塞导致资源闲置： 当一个线程阻塞时，它所占用的操作系统线程也会被阻塞，无法执行其他任务。这导致CPU资源利用率低下。

为了解决这些问题，开发者们尝试了各种方法，例如：

线程池： 通过复用线程来减少创建和销毁线程的开销。但是，线程池仍然受到操作系统线程数量的限制。
异步编程（回调、Future、CompletableFuture）： 通过非阻塞I/O和回调机制来避免线程阻塞。但是，异步编程会使代码变得复杂，难以维护和调试，出现所谓的“回调地狱”。

这些方案在一定程度上缓解了传统线程模型的困境，但并没有从根本上解决问题。Project Loom的出现，为我们提供了一种全新的解决方案。

虚拟线程（Fiber）：轻量级的并发利器

Project Loom引入了虚拟线程（Fiber），它是一种用户态的轻量级线程。与传统的操作系统线程不同，虚拟线程不需要对应一个操作系统线程。多个虚拟线程可以共享同一个操作系统线程，从而大大降低了资源消耗和上下文切换的开销。

虚拟线程的核心优势在于：

轻量级： 创建和维护虚拟线程的开销非常小，可以创建数百万个虚拟线程。
阻塞不会导致操作系统线程阻塞： 当虚拟线程阻塞时，它会被挂起，并允许底层的操作系统线程执行其他虚拟线程。这使得CPU资源能够得到充分利用。
编程模型简单： 虚拟线程可以使用传统的阻塞式编程模型，避免了异步编程的复杂性。

虚拟线程的底层调度原理：Fork/Join Pool 和 Continuation

虚拟线程的底层调度依赖于两个关键组件： Fork/Join Pool 和 Continuation。

1. Fork/Join Pool

Fork/Join Pool 是一个线程池，用于执行虚拟线程。与传统的线程池不同，Fork/Join Pool 采用了“工作窃取”（work-stealing）算法，可以更有效地利用CPU资源。

当一个虚拟线程需要执行I/O操作时，它会被挂起，并释放底层的操作系统线程。Fork/Join Pool 会从等待队列中选择另一个虚拟线程来执行。

2. Continuation

Continuation 是一个表示计算状态的数据结构。它包含了虚拟线程的栈、局部变量和程序计数器等信息。当虚拟线程被挂起时，它的Continuation会被保存起来。当虚拟线程可以继续执行时，Fork/Join Pool 会恢复它的Continuation，从而使虚拟线程能够从上次挂起的地方继续执行。

调度过程详解

创建虚拟线程： 使用 Thread.startVirtualThread(Runnable) 创建一个新的虚拟线程。这个虚拟线程会被提交到 Fork/Join Pool 中。
执行虚拟线程： Fork/Join Pool 会从等待队列中选择一个虚拟线程来执行。
遇到阻塞操作： 当虚拟线程遇到阻塞操作（例如 Thread.sleep()、InputStream.read()）时，它会被挂起。
保存 Continuation： 虚拟线程的当前状态（栈、局部变量、程序计数器等）会被保存到 Continuation 对象中。
释放操作系统线程： 虚拟线程释放底层的操作系统线程，允许它执行其他虚拟线程。
恢复虚拟线程： 当阻塞操作完成时（例如 Thread.sleep() 时间到期、InputStream.read() 读取到数据），Fork/Join Pool 会找到对应的 Continuation 对象，并将其恢复到操作系统线程上。
继续执行虚拟线程： 虚拟线程从上次挂起的地方继续执行。

代码示例：

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

public class VirtualThreadExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // 创建并启动虚拟线程
            Thread.startVirtualThread(() -> {
                try {
                    // 模拟耗时操作，例如I/O
                    System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getId() + " started");
                    Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000)); // 随机睡眠0-1秒
                    System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getId() + " finished");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }

        // 主线程休眠一段时间，等待虚拟线程执行完毕
        Thread.sleep(2000);
    }
}

在这个例子中，我们创建了 10 个虚拟线程，每个虚拟线程都会睡眠一段时间。由于虚拟线程的轻量级特性，我们可以很容易地创建大量的并发任务，而不会受到操作系统线程数量的限制。

深入理解 Continuation

Continuation 可以理解为程序执行状态的快照。它保存了程序执行到某个特定时刻的所有必要信息，使得程序可以在后续的某个时刻从这个状态恢复执行。

在 Java 中，jdk.internal.vm.Continuation 类表示 Continuation 对象。开发者通常不需要直接操作 Continuation 对象，因为虚拟线程的调度是由 JVM 自动管理的。

Continuation 的内部结构：

字段	描述
stack	虚拟线程的栈，用于存储局部变量和方法调用信息。
locals	虚拟线程的局部变量。
pc	程序计数器，指向下一条要执行的指令。
frame	当前执行的方法帧。
status	Continuation 的状态（例如，RUNNABLE、BLOCKED、DONE）。

Continuation 的生命周期：

创建： 当虚拟线程被创建时，会创建一个对应的 Continuation 对象。
保存： 当虚拟线程遇到阻塞操作时，它的 Continuation 对象会被保存起来。
恢复： 当阻塞操作完成时，Fork/Join Pool 会恢复 Continuation 对象，并将其绑定到一个操作系统线程上。
销毁： 当虚拟线程执行完毕时，它的 Continuation 对象会被销毁。

虚拟线程的优势与限制

优势：

更高的并发性： 虚拟线程允许创建大量的并发任务，而不会受到操作系统线程数量的限制。
更低的资源消耗： 虚拟线程的创建和维护开销远低于操作系统线程。
更简单的编程模型： 虚拟线程可以使用传统的阻塞式编程模型，避免了异步编程的复杂性。
更好的性能： 在高并发、I/O密集型场景下，虚拟线程可以显著提高程序的性能。

限制：

CPU密集型任务： 虚拟线程更适合I/O密集型任务。对于CPU密集型任务，虚拟线程的性能提升可能不明显。因为CPU密集型任务主要受CPU计算能力限制，而不是线程数量。
不支持线程本地变量（ThreadLocal）： 虚拟线程不支持线程本地变量。如果需要在虚拟线程中使用线程本地变量，可以使用 ScopedValue。
需要 JDK 19 或更高版本： 虚拟线程是 Project Loom 的一部分，需要 JDK 19 或更高版本才能使用。
对底层库的要求: 如果底层库仍然是阻塞式的，那么虚拟线程的优势可能无法完全发挥。需要使用支持非阻塞I/O的库。

代码示例：使用 ScopedValue 替代 ThreadLocal

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

public class ScopedValueExample {

    // 定义一个 ScopedValue
    private static final ScopedValue<String> USER_ID = ScopedValue.newInstance();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int userId = i;
            // 创建并启动虚拟线程
            Thread.startVirtualThread(() -> {
                // 在 ScopedValue 的范围内执行代码
                ScopedValue.runWhere(USER_ID, "user-" + userId, () -> {
                    try {
                        // 模拟耗时操作，例如I/O
                        System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getId() + ", User ID: " + USER_ID.get() + " started");
                        Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(500)); // 随机睡眠0-0.5秒
                        System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getId() + ", User ID: " + USER_ID.get() + " finished");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                });
            });
        }

        // 主线程休眠一段时间，等待虚拟线程执行完毕
        Thread.sleep(1000);
    }
}

在这个例子中，我们使用 ScopedValue 来存储用户ID。ScopedValue.runWhere() 方法可以在指定的范围内绑定一个值到 ScopedValue。在虚拟线程中，我们可以通过 USER_ID.get() 方法来获取当前线程绑定的用户ID。

虚拟线程与平台线程（Platform Thread）的比较

特性	虚拟线程（Virtual Thread）	平台线程（Platform Thread）
底层实现	用户态线程	操作系统线程
资源消耗	低	高
上下文切换	快	慢
最大线程数	数百万	受操作系统限制
阻塞行为	挂起虚拟线程，不阻塞操作系统线程	阻塞操作系统线程
适用场景	I/O密集型任务	CPU密集型任务
线程本地变量支持	不支持，推荐使用ScopedValue	支持

虚拟线程的未来发展趋势

Project Loom 仍在不断发展中，虚拟线程的未来发展趋势包括：

更好的性能优化： JVM 团队将继续优化虚拟线程的性能，使其在高并发场景下能够发挥更大的优势。
更广泛的应用： 虚拟线程将逐渐应用于各种 Java 应用中，例如 Web 服务器、消息队列、数据库连接池等。
更强大的工具支持： 开发工具将提供更好的虚拟线程调试和分析功能，帮助开发者更好地理解和使用虚拟线程。
与其他技术的集成： 虚拟线程将与其他技术（例如反应式编程）更好地集成，为开发者提供更灵活的并发编程模型。

结论

虚拟线程是 Project Loom 带来的重要革新，它通过轻量级的并发机制，解决了传统线程模型在高并发场景下的困境。通过理解虚拟线程的底层调度原理，我们可以更好地利用虚拟线程的优势，构建更高效、更可靠的 Java 应用。虽然虚拟线程并非万能，存在一些限制，但它为并发编程提供了一种新的选择，尤其是在I/O密集型的场景下，虚拟线程可以显著提升性能。

虚拟线程：并发编程的新范式

虚拟线程的出现，简化了并发编程，降低了资源消耗，在高并发场景下拥有显著优势。开发者应逐步了解并掌握虚拟线程，将其应用到合适的场景中，从而提升应用程序的性能和可维护性。