JDK21 更新内容：虚拟线程

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| 444: | Virtual Threads |

1. 什么是 Virtual Threads?

Virtual Threads（虚拟线程）是 Java 平台的一项新功能，它旨在改进 Java 中的并发编程模型。传统上，Java 使用基于操作系统线程的并发模型，每个线程都需要分配一个操作系统线程来执行。而 Virtual
Threads 则提供了一种更高效、更轻量级的线程模型。

2. 为什么需要 Virtual Threads?

在传统的基于操作系统线程的并发模型中，创建和销毁线程以及在线程之间切换的开销很大。这限制了 Java 应用程序在处理大规模并发时的性能和扩展性。此外，由于操作系统线程的数量有限，当应用程序需要创建大量线程时，可能会导致资源耗尽或者性能下降。

Virtual
Threads 的出现解决了这些问题。它通过引入一种轻量级的线程模型，可以在 Java 应用程序中创建数百万甚至数十亿个线程，而不会受到操作系统线程数量的限制。这使得 Java 应用程序能够更好地适应大规模并发场景，并提供更高的性能和可伸缩性。

3. Virtual Threads 的实现原理

Virtual Threads 的实现依赖于 Java 虚拟机（JVM）的协作调度器和 Fork/Join 框架。它通过将多个 Virtual
Threads 映射到少量的操作系统线程上来实现高效的并发执行。

具体而言，当一个 Java 应用程序创建一个 Virtual
Thread 时，JVM 会为其分配一个虚拟线程（也称为轻量级线程）。这些虚拟线程由协作调度器管理，并在需要时与操作系统线程进行绑定。协作调度器负责决定哪个虚拟线程可以运行以及何时切换虚拟线程。

Fork/Join 框架是 Virtual Threads 的另一个关键组件。它提供了一种任务并行编程模型，允许开发人员将任务分解成更小的子任务，并使用工作窃取算法来实现负载均衡。Virtual
Threads 利用 Fork/Join 框架的能力，在不同的虚拟线程之间自动地、透明地进行任务划分和调度。

4. Virtual Threads 的优点

  • 更高的性能：Virtual Threads 减少了线程创建和销毁的开销，同时避免了操作系统线程数量的限制，从而提供更高的性能。
  • 更好的可伸缩性：由于 Virtual Threads 可以创建数百万甚至数十亿个线程，因此 Java 应用程序可以更好地适应大规模并发场景，并具有更好的可伸缩性。
  • 更低的资源消耗：相比于操作系统线程，Virtual Threads 是轻量级的，占用更少的内存和 CPU 资源。

5. Virtual Threads 的缺点

虽然 Virtual Threads 带来了许多优势，但也存在一些潜在的缺点：

  • 学习成本较高：使用 Virtual Threads 需要对并发编程模型有一定的理解，并且需要适应新的 API 和开发范式。
  • 可能引入新的问题：由于 Virtual Threads 是一个相对较新的功能，可能会存在一些未知的问题或者不稳定性。

6. Virtual Threads 的使用示例

下面是一个简单的使用 Virtual Threads 的示例代码：

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import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

public class VirtualThreadsExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newVirtualThreadExecutor();
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int taskId = i;
            executor.execute(() -> {
                System.out.println("Task " + taskId + " is running on virtual thread: " + Thread.currentThread().getName());
            });
        }
        
        executor.shutdown();
    }
}

上述示例中，我们使用 Executors.newVirtualThreadExecutor() 方法创建了一个 ThreadPoolExecutor 实例，该实例可以执行 Virtual
Threads。然后，我们通过调用 execute() 方法提交了一系列任务，每个任务都会打印当前运行的虚拟线程的名称。

7. Virtual Threads 的使用注意事项

在使用 Virtual Threads 时，需要注意以下几点：

  • 虽然 Virtual Threads 可以创建大量线程，但过多的线程仍可能导致性能下降或资源耗尽。因此，在设计应用程序时，仍需合理控制并发度。
  • 使用 Virtual Threads 时，需要遵循良好的并发编程实践，如避免共享可变状态、使用适当的同步机制等，以确保线程安全性和正确性。
  • 在迁移现有代码到使用 Virtual Threads 时，需要进行一定的重构和调整，以适应新的 API 和开发范式。

8. 总结

Virtual Threads 是 Java 平台的一项新功能，旨在改进 Java 中的并发编程模型。它通过引入轻量级的虚拟线程，并利用协作调度器和 Fork/Join 框架来提供高效的并发执行。Virtual
Threads 具有更高的性能、更好的可伸缩性和较低的资源消耗，但也需要学习成本较高，并且可能存在一些潜在的问题。在使用 Virtual
Threads 时，需要注意合理控制并发度、遵循并发编程实践，并进行必要的重构和调整。