千呼万唤始出来：Java终于发布了“协程”——虚拟线程！

卖铁的

今天分享的内容是 Java 的一个重量级功能：虚拟线程。
背景

2022-09-20，JDK 19 发布了GA版本，备受瞩目的协程功能也算尘埃落地，不过，此次 GA版本并不是以协程来命名，而是使用了 Virtual
Thread（虚拟线程），并且是 preview预览版本。小编最早关注到协程功能是在 2020年，那时孵化项目叫做 Java project Loom，
使用的是 Fiber（直译为：纤维，意译为：轻量级线程，即协程），但是 GA版本为何最终被定义为 Virtual Thread（虚拟线程），原因不得而知。

GA: General Availability，正式发布的版本，在国外都是用 GA来指代 release版本；
JEP: JDK Enhancement Proposal, JDK增强建议，JEP是一个JDK核心技术相关的增强建议文档；

为什么需要虚拟线程

• Java中的线程是对操作系统线程的一个简单包装，线程的创建，调度和销毁等都是由操作系统完成；
  
• 线程切换需要消耗CPU时间，这部分时间是与业务无关的；
  
• 线程的性能直接受操作系统处理能力的影响；
  

因此，线程是一种重量级的资源，作为一名 Java程序员应该深有体会。所以，为了更好的管理线程，Java采用了池化（线程池）的方式进行管理线程，避免线程频繁创建和销毁带来的开销。但是，尽管线程池避免线程大部分创建和销毁的开销，但是线程的调度还是直接受操作系统的影响，那么有没有更好的方式来打破这种限制，因此，虚拟线程就孕育而生。
在 JDK 19源码中，官方直接在 java.lang包下新增一个 VirtualThread类来表示虚拟线程，为了更好的区分虚拟线程和原有的 Thread线程，官方给 Thread类赋予了一个高大上的名字：平台线程。
下面给出了 JDK 19中虚拟线程的 Diagram截图以及平台线程和系统线程的关系图：

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想了解更多关系线程的知识，可以参考往期的文章：深度剖析：Java线程运行机制，程序员必看的知识点！

如何创建虚拟线程

1.通过 Thread.startVirtualThread创建

如下示例代码，通过 Thread.startVirtualThread可以创建一个新的并且已启动的虚拟线程，该方法等价于 Thread.ofVirtual.start(task)：

2.通过 Thread.ofVirtual创建

如下示例代码，通过 Thread.ofVirtual.unstarted方式可以创建一个新的未启动的虚拟线程，然后通过 Thread.start来启动线程，也可以通过 Thread.ofVirtual.start直接创建一个新的并已启动的虚拟线程：

3.通过 ThreadFactory创建

如下示例代码，通过 ThreadFactory.newThread方式就能创建一个虚拟线程，然后通过 Thread.start来启动线程：

4.通过 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor创建

如下示例代码，通过 JDK自带的Executors工具类方式创建一个虚拟线程，然后通过 executor.submit来启动线程：

通过上述列举的 4种创建虚拟线程的方式可以看出，官方为了降低虚拟线程的门槛，尽力复用原有的Thread线程类，这样可以平滑的过渡到虚拟线程的使用。不过，在 Java 19中，虚拟线程还是一个预览功能，默认关闭，需要使用参数 --enable-preview 来启用该功能，预览功能源码和启动虚拟线程指令如下：

IDEA 中配置 --enable-preview 如下图：

为了更好的感受虚拟线程的性能，我们模拟一个对比测试用例：分别使用虚拟线程和线程池执行10w个任务，每个线程任务睡眠10ms，统计各自的总耗时和创建的最大平台线程总数，示例代码如下：

两个示例的运行结果：

通过运行结果可以发现：

• 使用虚拟线程执行 10w个任务总耗时为：129ms，最大创建了 18个平台线程；
  
• 使用线程池执行 10w个任务总耗时为：6103 ms，最大创建了 207个平台线程；
  
• 两者总耗时差50倍，最大创建的平台线程总数差 10倍，因此性能差可想而知；
  

核心源码解析

首先从 VirtualThread类开始，源码如下：

通过 VirtualThread类的源码可以总结出：

• VirtualThread继承 BaseVirtualThread类，BaseVirtualThread类继承 Thread类；
  
• 虚拟线程是 JVM进行调度的，而不是操作系统；
  
• VirtualThread类是一个终态类，因此该类无法被继承，无法被扩展；
  

VirtualThread类，只提供了一个构造器，接收 4个参数：

• Executor scheduler：如果给定的调度器为空并且当前线程是平台线程，那么新创建的虚拟线程将使用默认调度程序（底层采用 ForkJoinPool），如果给定的调度器为空并且当前线程是虚拟线程，则使用当前线程的调度程序
  
• String name：自定义线程名
  
• int characteristics：线程特征值
  
• Runnable task：需要执行的任务
  

然后我们看下 JDK中创建虚拟线程的源码：

Thread.startVirtualThread创建虚拟线程，会调用ThreadBuilders.newVirtualThread，最终调用 new VirtualThread构造器来创建虚拟线程。

从上文我们在介绍虚拟线程创建的 4种方式也可以看出，虚拟线程创建的入口在 Thread 或者 Executors 类中，和以前使用线程或者线程池的习惯保持一致。

mount 和 unmount 是虚拟线程两个核心方法：

• mount，可以将此虚拟线程挂载到当前平台线程上，返回时，当前线程是虚拟线程；
  
• unmount，从载体线程卸载此虚拟线程，返回时，当前线程是平台线程
  

通过这两个方式可以看出虚拟线程是搭载在平台线程上运行，运行结束后，从平台线程上卸载。
虚拟线程的状态和转换

下表总结了虚拟线程中的所有线程状态以及状态之间转化的条件：

3种线程的关系

VirtualThread，Platform Thread，OS Thread 三者的关系如下图：

说明：
在现有的线程模型下，一个 Java线程相当于一个操作系统线程，多个虚拟线程需要挂载在一个平台线程（载体线程）上，每个平台线程和系统线程一一对应。因此，VirtualThread是属于 JVM级别的线程，由JVM调度，它是非常轻量级的资源，使用完后立即被销毁，因此就不需要像平台线程一样使用池化（线程池）。
虚拟线程在执行到 IO 操作或 Blocking操作时，会自动切换到其他虚拟线程执行，从而避免当前线程等待，可以高效通过少数线程去调度大量虚拟线程，最大化提升线程的执行效率。
总结

• Virtual Thread将会在性能上带来的巨大提高，不过，目前业界80~90%的代码还跑在 Java 8上，等 JDK
  19投入实际生产环境，可能需要一个漫长的过程；
  
• 虚拟线程高度复用了现有的 Thread线程的功能，方便现有方式平滑迁移到虚拟线程；
  
• 虚拟线程是将 Thread作为载体线程，它并没有改变原来的线程模型；
  
• 虚拟线程是 JVM调度的，而不是操作系统调度；
  
• 使用虚拟线程可以显著提高程序吞吐量；
  
• 虚拟线程适合 并发任务数量很高 或者 IO密集型的场景，对于 计算密集型任务还需通过过增加CPU核心解决，或者利用分布式计算资源来来解决；
  
• 虚拟线程目前只是一个预览功能，只能从源码和简单的测试来分析，并无真实生产环境的验证；
  

曾一段时间内，JDK一直致力于 Reactor响应式编程，试图从这条路子来提升 Java的性能，但是最终发现：响应式编程难理解，难调试，难使用， 因此又把焦点转向了同步编程，为了改善性能，虚拟线程诞生了。或许虚拟线程很难在短时间内运用到实际生产中，但是通过官方的JDK版本发布，我们可以看到：尽管是 Oracle这样的科技型巨头也会走弯路，了解 JDK的动态，可以帮助我们更好的把握学习 Java的重心以及后面的发展趋势。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0pqq9oSG
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