Java Loom虚拟线程：调度器（Scheduler）如何实现用户态的轻量级上下文切换 - 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

Java Loom 虚拟线程：调度器（Scheduler）如何实现用户态的轻量级上下文切换

大家好！今天我们深入探讨Java Loom项目中最核心的特性之一：虚拟线程，以及支撑虚拟线程高效运行的调度器是如何在用户态实现轻量级上下文切换的。

1. 虚拟线程的诞生背景

在深入调度器之前，我们先简单回顾一下虚拟线程出现的背景。传统的Java线程（平台线程）是操作系统内核管理的，每次线程的创建、销毁和上下文切换都涉及到内核态和用户态之间的切换，开销较大。在高并发场景下，大量线程的创建和维护会消耗大量的系统资源，导致性能瓶颈。

虚拟线程的目标是提供一种轻量级的线程实现，它由用户态的Java运行时管理，可以创建数百万个虚拟线程而不会显著增加资源消耗。这使得我们可以使用简单的线程编程模型来处理高并发任务，而无需依赖复杂的异步编程或响应式编程框架。

2. 虚拟线程与平台线程的区别

为了更好地理解虚拟线程的优势，我们将其与平台线程进行对比：

特性	平台线程 (Platform Thread)	虚拟线程 (Virtual Thread)
管理者	操作系统内核	Java运行时
上下文切换	内核态/用户态切换	用户态切换
资源消耗	较高	极低
并发量	有限	极高
阻塞操作	阻塞整个平台线程	仅阻塞虚拟线程，Carrier线程继续执行其他虚拟线程

从上表可以看出，虚拟线程的核心优势在于其轻量级的特性和高效的上下文切换机制。这种机制完全在用户态实现，避免了频繁的内核态切换，从而显著提高了并发性能。

3. 虚拟线程调度器的核心组件

虚拟线程的调度器是实现轻量级上下文切换的关键。它主要包含以下几个核心组件：

Carrier线程 (Carrier Thread)：也称为承载线程，是实际执行虚拟线程代码的平台线程。一个Carrier线程可以承载多个虚拟线程。
Scheduler (调度器)：负责将虚拟线程分配给Carrier线程执行，并在虚拟线程阻塞时将其从Carrier线程上卸载，以便Carrier线程可以执行其他虚拟线程。
Continuation (延续)：是虚拟线程的核心数据结构，保存了虚拟线程的执行状态，包括栈信息、局部变量等。Continuation是实现上下文切换的关键。
ForkJoinPool (ForkJoinPool)：默认情况下，虚拟线程的调度器基于ForkJoinPool.commonPool()。当然，也可以使用自定义的ForkJoinPool。

4. 虚拟线程的生命周期和调度过程

一个虚拟线程的生命周期大致如下：

创建 (Born)：虚拟线程被创建，但尚未开始执行。
就绪 (Runnable)：虚拟线程等待被调度器分配给Carrier线程执行。
运行 (Running)：虚拟线程正在Carrier线程上执行。
阻塞 (Blocked)：虚拟线程执行了阻塞操作（例如I/O），暂停执行。
卸载 (Unmounted)：虚拟线程从Carrier线程上卸载，其状态被保存到Continuation中。
恢复 (Resumed)：阻塞操作完成后，虚拟线程被重新调度，从上次暂停的位置继续执行。
完成 (Finished)：虚拟线程执行完毕。

调度过程可以概括为：

提交任务：将虚拟线程提交给调度器。
分配Carrier线程：调度器从ForkJoinPool中选择一个空闲的Carrier线程。
执行虚拟线程：将虚拟线程分配给Carrier线程执行。
阻塞与卸载：如果虚拟线程执行了阻塞操作，调度器将其从Carrier线程上卸载，并将状态保存到Continuation中。Carrier线程可以继续执行其他虚拟线程。
恢复与调度：阻塞操作完成后，调度器将虚拟线程重新调度到Carrier线程上，从上次暂停的位置继续执行。
完成：虚拟线程执行完毕，释放资源。

5. Continuation：上下文切换的基石

Continuation是虚拟线程实现轻量级上下文切换的核心。它保存了虚拟线程的所有执行状态，包括：

栈帧 (Stack Frames)：方法调用栈的信息，包括局部变量、操作数栈等。
程序计数器 (Program Counter)：下一条要执行的指令的地址。
局部变量表 (Local Variable Table)：方法中的局部变量。
操作数栈 (Operand Stack)：用于存储操作数的栈。

当虚拟线程阻塞时，调度器会将虚拟线程的Continuation保存起来，并将Carrier线程释放出来执行其他虚拟线程。当虚拟线程恢复执行时，调度器会将Continuation恢复，Carrier线程就可以从上次暂停的位置继续执行。

Continuation的实现依赖于一种称为“栈复制”或“栈切换”的技术。简单来说，就是将虚拟线程的栈信息复制到Continuation对象中，然后在需要恢复执行时，再将Continuation对象中的栈信息复制回Carrier线程的栈中。

6. 深入代码：虚拟线程的创建与运行

下面我们通过一些代码示例来更直观地理解虚拟线程的创建和运行：

import java.time.Duration;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.concurrent.ThreadPerTaskExecutor;

public class VirtualThreadExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // 使用Executors创建虚拟线程
        Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
            System.out.println("Running in virtual thread: " + Thread.currentThread());
            try {
                Thread.sleep(Duration.ofSeconds(2)); // 模拟阻塞操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("Virtual thread finished.");
        });

        virtualThread.join(); // 等待虚拟线程执行完成

        // 使用Thread.Builder创建虚拟线程
        Thread.Builder builder = Thread.ofVirtual();
        Thread virtualThread2 = builder.name("my-virtual-thread").start(() -> {
            System.out.println("Running in virtual thread: " + Thread.currentThread());
        });

        virtualThread2.join();

        // 使用ExecutorService创建虚拟线程
        try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Running in virtual thread using ExecutorService: " + Thread.currentThread());
            });
        } // try-with-resources ensures the executor is shutdown

        // 自定义ThreadFactory创建虚拟线程
        ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.ofVirtual().factory();
        Thread virtualThread3 = virtualThreadFactory.newThread(() -> {
            System.out.println("Running in virtual thread using custom ThreadFactory: " + Thread.currentThread());
        });
        virtualThread3.start();
        virtualThread3.join();

        // 使用ThreadPerTaskExecutor
        ThreadPerTaskExecutor virtualThreadExecutor = new ThreadPerTaskExecutor(Thread.ofVirtual().factory());
        virtualThreadExecutor.execute(() -> {
            System.out.println("Running in virtual thread using ThreadPerTaskExecutor: " + Thread.currentThread());
        });

        Thread.sleep(100); //Give some time to execute before the end of the main thread

    }
}

在这个例子中，我们展示了多种创建虚拟线程的方式：

Thread.ofVirtual().start()：这是最简单的创建和启动虚拟线程的方式。
Thread.Builder：可以使用Thread.Builder来定制虚拟线程的属性，例如名称。
Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()：使用ExecutorService来管理虚拟线程的生命周期。
Thread.ofVirtual().factory()：创建一个ThreadFactory，用于创建虚拟线程。
ThreadPerTaskExecutor：创建线程的简单 Executor 实现，每次执行任务时都会创建一个新线程。

代码中，我们使用了Thread.sleep()来模拟阻塞操作。当虚拟线程执行到Thread.sleep()时，调度器会将该虚拟线程从Carrier线程上卸载，Carrier线程可以继续执行其他虚拟线程。当Thread.sleep()结束后，调度器会将该虚拟线程重新调度到Carrier线程上，从Thread.sleep()之后的位置继续执行。

7. 深入代码：Continuation的使用

虽然我们通常不需要直接操作Continuation，但了解其使用方式可以帮助我们更好地理解虚拟线程的底层原理。

// 该示例仅用于演示Continuation的用法，在实际应用中不推荐直接使用Continuation

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); // 暂停执行
            System.out.println("Continuation resumed.");
        });

        continuation.run(); // 首次执行
        System.out.println("After first run.");
        continuation.run(); // 恢复执行
        System.out.println("After second run.");
    }
}

注意： Continuation类是jdk.internal.vm包下的，属于内部API，不建议在生产环境中使用。这个例子只是为了演示Continuation的基本用法。

在这个例子中，我们创建了一个Continuation对象，并在其run()方法中执行代码。Continuation.yield(scope)方法用于暂停Continuation的执行，并将控制权返回给调用者。当再次调用continuation.run()时，Continuation会从上次暂停的位置继续执行。

8. 调度器的优化策略

虚拟线程的调度器为了提高性能，采用了一些优化策略：

Work Stealing (工作窃取)：当一个Carrier线程的任务队列为空时，它可以从其他Carrier线程的任务队列中窃取任务来执行，从而提高CPU的利用率。
优先级调度：虚拟线程可以设置优先级，调度器会优先调度优先级较高的虚拟线程。
自适应调度：调度器可以根据系统的负载情况动态调整调度策略，以达到最佳的性能。

9. 虚拟线程的适用场景和注意事项

虚拟线程非常适合以下场景：

高并发I/O密集型应用：例如Web服务器、API网关等。
需要大量并发任务的应用：例如批处理、数据处理等。
需要使用简单线程编程模型的应用：可以避免复杂的异步编程或响应式编程。

在使用虚拟线程时，需要注意以下事项：

CPU密集型任务：对于CPU密集型任务，虚拟线程的优势并不明显，甚至可能比平台线程更慢。
线程本地变量 (ThreadLocal)：虚拟线程支持线程本地变量，但需要注意内存泄漏问题。
监控和调试：虚拟线程的监控和调试可能比平台线程更复杂。

10. 未来展望

虚拟线程是Java Loom项目中最令人兴奋的特性之一，它为Java并发编程带来了革命性的变化。未来，我们可以期待虚拟线程在更多的场景中得到应用，并不断优化其性能和功能。例如，进一步优化调度算法，提供更强大的监控和调试工具，以及更好地支持线程本地变量等。

轻量级上下文切换的实现

虚拟线程通过用户态的调度器和Continuation机制，实现了轻量级的上下文切换，避免了频繁的内核态切换，从而显著提高了并发性能。虚拟线程为Java并发编程带来了革命性的变化，使得我们可以使用简单的线程编程模型来处理高并发任务。

总结

虚拟线程的调度器是实现其轻量级上下文切换的关键，通过Carrier线程、Scheduler、Continuation和ForkJoinPool等组件协同工作，实现了高效的并发处理能力，并具有广阔的应用前景。理解其工作原理有助于我们更好地利用虚拟线程来构建高性能的Java应用。