Java 19 虚拟线程与 ThreadLocal 兼容性问题：ScopedValue 迁移与 ThreadLocalBridge 适配
大家好，今天我们来探讨一个在 Java 19 中引入虚拟线程后，开发者们可能会遇到的一个重要问题：虚拟线程与 ThreadLocal 的兼容性，以及如何使用 ScopedValue 进行迁移，并通过 ThreadLocalBridge 进行适配。
1. ThreadLocal 的局限性与问题
ThreadLocal 是 Java 中一种常用的线程封闭机制，它允许我们在每个线程中存储和访问独立的数据副本。这在很多场景下非常有用，例如存储用户会话信息、事务上下文等。然而，ThreadLocal 也存在一些固有的问题：
- 内存泄漏风险： 如果
ThreadLocal中存储的对象生命周期比线程长，且线程池中的线程被重用，那么这些对象可能会发生内存泄漏，因为ThreadLocal的值会一直保存在线程的ThreadLocalMap中，无法被垃圾回收。 - 子线程数据传递困难： 如果需要在父线程中初始化
ThreadLocal的值，并在子线程中使用，需要显式地传递，例如使用InheritableThreadLocal，但InheritableThreadLocal会复制父线程的所有ThreadLocal值，这可能会带来性能问题，并且不是所有场景都适用。 - 虚拟线程下的性能问题： 在虚拟线程环境下，由于虚拟线程数量众多，每个虚拟线程都维护自己的
ThreadLocalMap，会造成巨大的内存开销。此外，ThreadLocal的访问需要同步操作，这会降低虚拟线程的并发性能。
2. 虚拟线程的引入及其影响
Java 19 引入了虚拟线程 (Virtual Threads)，也称为纤程 (Fibers)，旨在大幅度提高并发性能。虚拟线程由 JVM 管理，相比传统的操作系统线程 (Platform Threads)，创建和切换的开销非常小。这使得我们可以创建数百万个虚拟线程，而不会像传统线程那样耗尽系统资源。
然而，虚拟线程的引入也暴露了 ThreadLocal 的一些问题。由于虚拟线程数量巨大，每个虚拟线程维护自己的 ThreadLocalMap 会造成巨大的内存开销，并且 ThreadLocal 的访问需要同步操作，这会降低虚拟线程的并发性能。
3. ScopedValue 的优势与替代方案
为了解决 ThreadLocal 在虚拟线程环境下的问题，Java 20 引入了 ScopedValue。ScopedValue 是一种轻量级的线程封闭机制，它具有以下优势：
- 不可变性：
ScopedValue的值在绑定后是不可变的，这避免了线程间的数据竞争和并发问题。 - 绑定范围：
ScopedValue的值只在特定的范围内有效，超出范围后就无法访问，这有助于避免内存泄漏。 - 性能优势：
ScopedValue的实现更加轻量级，访问速度更快，尤其是在虚拟线程环境下。 - 更好的结构化并发支持：
ScopedValue与结构化并发（Structured Concurrency）模型配合使用，可以更好地管理并发任务的数据共享。
ScopedValue 的核心思想是在特定的代码块内绑定一个值，并将该值传递给该代码块内的所有线程。当代码块执行完毕后，该值会自动解除绑定。
4. 从 ThreadLocal 迁移到 ScopedValue
将现有代码从 ThreadLocal 迁移到 ScopedValue 需要进行一些修改。以下是一些步骤和示例：
步骤 1：定义 ScopedValue
首先，需要定义一个 ScopedValue 实例，用于存储需要线程封闭的数据。
public class MyContext {
public static final ScopedValue<String> USER_ID = ScopedValue.newInstance();
}步骤 2：绑定 ScopedValue 的值
在使用 ScopedValue 之前，需要使用 ScopedValue.where() 方法绑定一个值。
String userId = "user123";
ScopedValue.where(MyContext.USER_ID, userId).run(() -> {
// 在这个代码块中，可以访问 MyContext.USER_ID 的值
System.out.println("User ID: " + MyContext.USER_ID.get());
// 调用其他方法，也可以访问 MyContext.USER_ID 的值
processRequest();
});
// 在这个代码块之外，无法访问 MyContext.USER_ID 的值步骤 3：访问 ScopedValue 的值
可以使用 ScopedValue.get() 方法来访问 ScopedValue 的值。
public class MyService {
public void processRequest() {
String userId = MyContext.USER_ID.get();
System.out.println("Processing request for user: " + userId);
}
}示例代码：
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.ScopedValue;
public class ScopedValueExample {
public static final ScopedValue<String> USER_ID = ScopedValue.newInstance();
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int taskId = i;
executor.submit(() -> {
String userId = "user-" + taskId;
ScopedValue.where(USER_ID, userId).run(() -> {
System.out.println("Task " + taskId + " running in thread: " + Thread.currentThread().getName());
processRequest();
});
});
}
executor.shutdown();
}
public static void processRequest() {
String userId = USER_ID.get();
System.out.println("Processing request for user: " + userId + " in thread: " + Thread.currentThread().getName());
}
}在这个例子中，我们创建了一个虚拟线程池，并提交了 5 个任务。每个任务都绑定了一个不同的 USER_ID 的值。processRequest() 方法可以访问当前线程绑定的 USER_ID 的值。
5. ThreadLocalBridge：ThreadLocal 与 ScopedValue 的桥梁
在实际项目中，完全替换 ThreadLocal 可能需要大量的工作。为了平滑过渡，Java 提供了 ThreadLocalBridge 类，它可以将 ThreadLocal 的值桥接到 ScopedValue，从而实现 ThreadLocal 和 ScopedValue 的互操作。
ThreadLocalBridge 的主要作用是：
- 将
ThreadLocal的值暴露为ScopedValue： 允许在ScopedValue的范围内访问ThreadLocal的值。 - 自动传播
ThreadLocal的值到虚拟线程： 在创建虚拟线程时，自动将父线程的ThreadLocal值复制到子线程的ScopedValue中。
使用 ThreadLocalBridge 的步骤：
步骤 1：创建 ThreadLocalBridge 实例
import jdk.incubator.concurrent.ThreadLocalBridge;
ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();
ScopedValue<String> myScopedValue = ScopedValue.newInstance();
ThreadLocalBridge<String> bridge = ThreadLocalBridge.of(myThreadLocal, myScopedValue);步骤 2：设置 ThreadLocal 的值
myThreadLocal.set("Initial Value");步骤 3：在 ScopedValue 范围内访问 ThreadLocal 的值
ScopedValue.where(myScopedValue, myThreadLocal::get).run(() -> {
System.out.println("Value from ScopedValue: " + myScopedValue.get()); // 输出 "Initial Value"
});示例代码：
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.ScopedValue;
import jdk.incubator.concurrent.ThreadLocalBridge;
public class ThreadLocalBridgeExample {
public static ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();
public static ScopedValue<String> myScopedValue = ScopedValue.newInstance();
public static ThreadLocalBridge<String> bridge = ThreadLocalBridge.of(myThreadLocal, myScopedValue);
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
myThreadLocal.set("Main Thread Value");
executor.submit(() -> {
System.out.println("ThreadLocal Value in Virtual Thread: " + myThreadLocal.get()); // 输出 null，因为没有传播
ScopedValue.where(myScopedValue, myThreadLocal::get).run(() -> {
System.out.println("ScopedValue Value in Virtual Thread: " + myScopedValue.get()); // 输出 "Main Thread Value"
});
}).join();
executor.shutdown();
}
}在这个例子中，我们在主线程中设置了 myThreadLocal 的值，然后在虚拟线程中通过 ThreadLocalBridge 将 myThreadLocal 的值桥接到 myScopedValue，从而可以在虚拟线程中访问 myThreadLocal 的值。
6. 最佳实践与注意事项
- 优先使用
ScopedValue： 如果可以，尽量使用ScopedValue代替ThreadLocal，以获得更好的性能和可维护性。 - 谨慎使用
ThreadLocalBridge：ThreadLocalBridge应该只在过渡时期使用，最终目标是完全移除ThreadLocal。 - 避免在虚拟线程中存储大量数据： 尽量避免在虚拟线程中存储大量数据，以减少内存开销。
- 注意内存泄漏： 即使使用
ScopedValue，也要注意避免内存泄漏。确保ScopedValue的值在不再需要时及时解除绑定。 - 考虑使用结构化并发： 结构化并发可以更好地管理并发任务的数据共享，并避免潜在的并发问题。
7. 总结：拥抱虚拟线程，选择更优的数据传递方式
本文深入探讨了 Java 19 引入虚拟线程后，ThreadLocal 兼容性方面的问题。ScopedValue 提供了一种更轻量级、更安全、更高效的线程封闭机制，尤其是在虚拟线程环境下。通过 ThreadLocalBridge，可以实现 ThreadLocal 到 ScopedValue 的平滑迁移。在实际开发中，应优先考虑使用 ScopedValue，并逐步淘汰 ThreadLocal，以充分利用虚拟线程的优势，提升应用程序的并发性能。
8. 未来展望：更强大的并发工具支持
随着 Java 的不断发展，我们可以期待更多更强大的并发工具和 API 的出现，以帮助我们更好地构建高性能、高可用的并发应用程序。例如，Project Loom 引入的结构化并发 API，可以更好地管理并发任务的数据共享和生命周期，从而避免潜在的并发问题。此外，未来的 Java 版本可能会对 ScopedValue 进行进一步的优化，使其更加易用和高效。