Java 21 新特性

05、Java 21 新特性 - 虚拟线程

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：

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。