本文給大家介紹了一下JDK 19新推出的虛擬線程，或者叫協(xié)程，主要是為了解決在讀書(shū)操作系統(tǒng)中線程需要依賴(lài)內(nèi)核線程的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致有很多額外開(kāi)銷(xiāo)的問(wèn)題。通過(guò)在Java語(yǔ)言層面引入虛擬線程，通過(guò)JVM進(jìn)行調(diào)度管理，從而減少上下文切換的成本。

?最近，JDK 19發(fā)布了，推出了幾個(gè)新的特性，其中有一個(gè)比較值得關(guān)注的那就是新增了虛擬線程。

【資料圖】

很多人可能比較疑惑，到底什么是虛擬線程，和我們現(xiàn)在使用的平臺(tái)線程有啥區(qū)別呢？

要說(shuō)清楚JDK 19中的虛擬線程，我們要先來(lái)了解一下線程都是怎么實(shí)現(xiàn)的。

線程的實(shí)現(xiàn)方式

我們都知道，在操作系統(tǒng)中，線程是比進(jìn)程更輕量級(jí)的調(diào)度執(zhí)行單位，線程的引入可以把一個(gè)進(jìn)程的資源分配和執(zhí)行調(diào)度分開(kāi)，各個(gè)線程既可以共享進(jìn)程資源，又可以獨(dú)立調(diào)度。

其實(shí)，線程的實(shí)現(xiàn)方式主要有三種：分別是使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)、使用用戶(hù)線程實(shí)現(xiàn)以及使用用戶(hù)線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合實(shí)現(xiàn)。

使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread,KLT）就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel，下稱(chēng)內(nèi)核）支持的線程，這種線程由內(nèi)核來(lái)完成線程切換，內(nèi)核通過(guò)操縱調(diào)度器（Scheduler）對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上，并向應(yīng)用程序提供API接口來(lái)管理線程。

應(yīng)用程序一般不會(huì)直接去使用內(nèi)核線程，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口——輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weight Process,LWP），輕量級(jí)進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級(jí)進(jìn)程。

有了內(nèi)核線程的支持，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都成為一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度單元，即使有一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程在系統(tǒng)調(diào)用中阻塞了，也不會(huì)影響整個(gè)進(jìn)程繼續(xù)工作。

但是輕量級(jí)進(jìn)程具有它的局限性：首先，由于是基于內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)的，所以各種線程操作，如創(chuàng)建、析構(gòu)及同步，都需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的代價(jià)相對(duì)較高，需要在用戶(hù)態(tài)（User Mode）和內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）中來(lái)回切換。其次，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都需要有一個(gè)內(nèi)核線程的支持，因此輕量級(jí)進(jìn)程要消耗一定的內(nèi)核資源（如內(nèi)核線程的?？臻g），因此一個(gè)系統(tǒng)支持輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量是有限的。

使用用戶(hù)線程實(shí)現(xiàn)

在用戶(hù)空間建立線程庫(kù)，通過(guò)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)(Run-time System)來(lái)完成線程的管理，因?yàn)檫@種線程的實(shí)現(xiàn)是在用戶(hù)空間的，所以操作系統(tǒng)的內(nèi)核并不知道線程的存在，所以?xún)?nèi)核管理的還是進(jìn)程，所以這種線程的切換不需要內(nèi)核操作。

這種實(shí)現(xiàn)方式下，一個(gè)進(jìn)程和線程之間的關(guān)系是一對(duì)多的。

這種線程實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是線程切換快，并且可以運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)之上，只需要實(shí)現(xiàn)線程庫(kù)就行了。但是缺點(diǎn)也比較明顯，就是所有線程的操作都需要用戶(hù)程序自己處理，并且因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)調(diào)用都是阻塞的，所以一旦一個(gè)進(jìn)程阻塞了，那么進(jìn)程中的所有線程也會(huì)被阻塞。還有就是多處理器系統(tǒng)中如何將線程映射到其他處理器上也是一個(gè)比較大的問(wèn)題。

使用用戶(hù)線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合實(shí)現(xiàn)

還有一種混合實(shí)現(xiàn)的方式，就是線程的創(chuàng)建在用戶(hù)空間完成，通過(guò)線程庫(kù)進(jìn)行，但是線程的調(diào)度是由內(nèi)核來(lái)完成的。多個(gè)用戶(hù)線程通過(guò)多路復(fù)用來(lái)復(fù)用多個(gè)內(nèi)核線程。這個(gè)就不展開(kāi)講了

Java線程的實(shí)現(xiàn)方式

以上講的是操作系統(tǒng)的線程的實(shí)現(xiàn)的三種方式，不同的操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)線程的時(shí)候會(huì)采用不同的機(jī)制，比如windows采用的是內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)的，而Solaris則是通過(guò)混合模式實(shí)現(xiàn)的。

而Java作為一門(mén)跨平臺(tái)的編程語(yǔ)言，實(shí)際上他的線程的實(shí)現(xiàn)其實(shí)是依賴(lài)具體的操作系統(tǒng)的。而比較常用的windows和linux來(lái)說(shuō)，都是采用內(nèi)核線程的方式實(shí)現(xiàn)的。

也就是說(shuō)，當(dāng)我們?cè)贘AVA代碼中創(chuàng)建一個(gè)Tread的時(shí)候，其實(shí)是需要映射到操作系統(tǒng)的線程的具體實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的通過(guò)內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)的方式在創(chuàng)建、調(diào)度時(shí)都需要進(jìn)行內(nèi)核參與，所以成本比較高，盡管JAVA中提供了線程池的方式來(lái)避免重復(fù)創(chuàng)建線程，但是依舊有很大的優(yōu)化空間。而且這種實(shí)現(xiàn)方式意味著受機(jī)器資源的影響，平臺(tái)線程數(shù)也是有限制的。

虛擬線程

JDK 19引入的虛擬線程，是JDK 實(shí)現(xiàn)的輕量級(jí)線程，他可以避免上下文切換帶來(lái)的的額外耗費(fèi)。他的實(shí)現(xiàn)原理其實(shí)是JDK不再是每一個(gè)線程都一對(duì)一的對(duì)應(yīng)一個(gè)操作系統(tǒng)的線程了，而是會(huì)將多個(gè)虛擬線程映射到少量操作系統(tǒng)線程中，通過(guò)有效的調(diào)度來(lái)避免那些上下文切換。

而且，我們可以在應(yīng)用程序中創(chuàng)建非常多的虛擬線程，而不依賴(lài)于平臺(tái)線程的數(shù)量。這些虛擬線程是由JVM管理的，因此它們不會(huì)增加額外的上下文切換開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)樗鼈冏鳛槠胀↗ava對(duì)象存儲(chǔ)在RAM中。

虛擬線程與平臺(tái)線程的區(qū)別

首先，虛擬線程總是守護(hù)線程。setDaemon (false)方法不能將虛擬線程更改為非守護(hù)線程。所以，需要注意的是，當(dāng)所有啟動(dòng)的非守護(hù)進(jìn)程線程都終止時(shí)，JVM將終止。這意味著JVM不會(huì)等待虛擬線程完成后才退出。

其次，即使使用setPriority()方法，虛擬線程始終具有normal的優(yōu)先級(jí)，且不能更改優(yōu)先級(jí)。在虛擬線程上調(diào)用此方法沒(méi)有效果。

還有就是，虛擬線程是不支持stop()、suspend()或resume()等方法。這些方法在虛擬線程上調(diào)用時(shí)會(huì)拋出UnsupportedOperationException異常。

如何使用虛擬線程

接下來(lái)介紹一下，在JDK 19中如何使用虛擬線程。

首先，通過(guò)Thread.startVirtualThread()可以運(yùn)行一個(gè)虛擬線程：

Thread.startVirtualThread(() -> {    System.out.println("虛擬線程執(zhí)行中...");});

其次，通過(guò)Thread.Builder也可以創(chuàng)建虛擬線程，Thread類(lèi)提供了ofPlatform()來(lái)創(chuàng)建一個(gè)平臺(tái)線程、ofVirtual()來(lái)創(chuàng)建虛擬現(xiàn)場(chǎng)。

Thread.Builder platformBuilder = Thread.ofPlatform().name("平臺(tái)線程");Thread.Builder virtualBuilder = Thread.ofVirtual().name("虛擬線程");Thread t1 = platformBuilder .start(() -> {...}); Thread t2 = virtualBuilder.start(() -> {...});

另外，線程池也支持了虛擬線程，可以通過(guò)Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()來(lái)創(chuàng)建虛擬線程：

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {    IntStream.range(0, 10000).forEach(i -> {        executor.submit(() -> {            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));            return i;        });    });}

但是，其實(shí)并不建議虛擬線程和線程池一起使用，因?yàn)镴ava線程池的設(shè)計(jì)是為了避免創(chuàng)建新的操作系統(tǒng)線程的開(kāi)銷(xiāo)，但是創(chuàng)建虛擬線程的開(kāi)銷(xiāo)并不大，所以其實(shí)沒(méi)必要放到線程池中。

性能差異

說(shuō)了半天，虛擬線程到底能不能提升性能，能提升多少呢？我們來(lái)做個(gè)測(cè)試。

我們寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，在控制臺(tái)中打印消息之前等待1秒：

final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();Runnable runnable = () -> {  try {    Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));  } catch(Exception e) {      System.out.println(e);  }  System.out.println("Work Done - " + atomicInteger.incrementAndGet());};

現(xiàn)在，我們將從這個(gè)Runnable創(chuàng)建10,000個(gè)線程，并使用虛擬線程和平臺(tái)線程執(zhí)行它們，以比較兩者的性能。

先來(lái)我們比較熟悉的平臺(tái)線程的實(shí)現(xiàn)：

Instant start = Instant.now();try (var executor = Executors.newFixedThreadPool(100)) {  for(int i = 0; i < 10_000; i++) {    executor.submit(runnable);  }}Instant finish = Instant.now();long timeElapsed = Duration.between(start, finish).toMillis();  System.out.println("總耗時(shí) : " + timeElapsed);

輸出結(jié)果為：

總耗時(shí) : 102323

總耗時(shí)大概100秒左右。接下來(lái)再用虛擬線程跑一下看看

因?yàn)樵贘DK 19中，虛擬線程是一個(gè)預(yù)覽API，默認(rèn)是禁用。所以需要使用$ java——source 19——enable-preview xx.java 的方式來(lái)運(yùn)行代碼。?

Instant start = Instant.now();try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {  for(int i = 0; i < 10_000; i++) {    executor.submit(runnable);  }}Instant finish = Instant.now();long timeElapsed = Duration.between(start, finish).toMillis();  System.out.println("總耗時(shí) : " + timeElapsed);

使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()來(lái)創(chuàng)建虛擬線程，執(zhí)行結(jié)果如下：

總耗時(shí) : 1674

總耗時(shí)大概1.6秒左右。

100秒和1.6秒的差距，足以看出虛擬線程的性能提升還是立竿見(jiàn)影的。

總結(jié)

本文給大家介紹了一下JDK 19新推出的虛擬線程，或者叫協(xié)程，主要是為了解決在讀書(shū)操作系統(tǒng)中線程需要依賴(lài)內(nèi)核線程的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致有很多額外開(kāi)銷(xiāo)的問(wèn)題。通過(guò)在Java語(yǔ)言層面引入虛擬線程，通過(guò)JVM進(jìn)行調(diào)度管理，從而減少上下文切換的成本。

同時(shí)我們經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的demo測(cè)試，發(fā)現(xiàn)虛擬線程的執(zhí)行確實(shí)高效了很多。但是使用的時(shí)候也需要注意，虛擬線程是守護(hù)線程，所以有可能會(huì)沒(méi)等他執(zhí)行完虛擬機(jī)就會(huì)shutdown掉。

參考資料：

https://openjdk.org/jeps/425

https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/virtual-threads/

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