高并發(fā)、多線程一直是Java編程中的難點(diǎn)，也是面試題中的要點(diǎn)。Java開發(fā)者也一直在嘗試使用多線程來解決應(yīng)用服務(wù)器的并發(fā)問題。但是多線程并不容易，為此一個新的技術(shù)出現(xiàn)了，這就是虛擬線程。

傳統(tǒng)多線程的痛點(diǎn)

但是編寫多線程代碼是非常不容易的，難以控制的執(zhí)行順序，共享變量的線程安全性，異常可觀察性等等都是多線程編程的難點(diǎn)。

如果每個請求在請求的持續(xù)時間內(nèi)都在一個線程中處理，那么為了提高應(yīng)用程序的吞吐量，線程的數(shù)量必須隨著吞吐量的增長而增長。不幸的是線程是稀缺資源，創(chuàng)建一個線程的代價是昂貴的，即使引入了池化技術(shù)也無法降低新線程的創(chuàng)建成本，而且 JDK 當(dāng)前的線程實(shí)現(xiàn)將應(yīng)用程序的吞吐量限制在遠(yuǎn)低于硬件可以支持的水平。

為此很多開發(fā)人員轉(zhuǎn)向了異步編程，例如CompletableFuture或者現(xiàn)在正熱的反應(yīng)式框架。但是這些技術(shù)要么擺脫不了“回調(diào)地獄”，要么缺乏可觀測性。

解決這些痛點(diǎn)、增強(qiáng)Java平臺的和諧，實(shí)現(xiàn)每個請求使用獨(dú)立線程(thread-per-request style)這種風(fēng)格成為必要之舉。能否實(shí)現(xiàn)一種“成本低廉”的虛擬線程來映射到系統(tǒng)線程以減少對系統(tǒng)線程的直接操作呢?思路應(yīng)該是沒問題的!于是Java社區(qū)發(fā)起了關(guān)于虛擬線程的JEP 425[1]提案。

虛擬線程

虛擬線程(virtual threads)應(yīng)該非常廉價而且可以無需擔(dān)心系統(tǒng)硬件資源被大量創(chuàng)建，并且不應(yīng)該被池化。應(yīng)該為每個應(yīng)用程序任務(wù)創(chuàng)建一個新的虛擬線程。因此，大多數(shù)虛擬線程將是短暫的并且具有淺層調(diào)用堆棧，只執(zhí)行單個 HTTP 客戶端調(diào)用或單個 JDBC 查詢。與之對應(yīng)的平臺線程( Platform Threads，也就是現(xiàn)在傳統(tǒng)的JVM線程 )是重量級且昂貴的，因此通常必須被池化。它們往往壽命長，有很深的調(diào)用堆棧，并且在許多任務(wù)之間共享。

總而言之，虛擬線程保留了與 Java 平臺的設(shè)計相協(xié)調(diào)的、可靠的每請求線程樣式，同時優(yōu)化了硬件的利用。使用虛擬線程不需要學(xué)習(xí)新概念，甚至需要改掉現(xiàn)在操作多線程的習(xí)慣，使用更加容易上手的API、兼容以前的多線程設(shè)計、并且絲毫不會影響代碼的拓展性。

平臺線程和虛擬線程的不同

為了更好理解這一個設(shè)計，草案對這兩種線程進(jìn)行了比較。

現(xiàn)在的線程現(xiàn)在每個java.lang.Thread都是一個平臺線程，平臺線程在底層操作系統(tǒng)線程上運(yùn)行 Java 代碼，并在代碼的整個生命周期內(nèi)捕獲操作系統(tǒng)線程。平臺線程數(shù)受限于 OS 線程數(shù)。

平臺線程

并不會因?yàn)榧尤胩摂M線程而退出歷史舞臺。

未來的虛擬線程

虛擬線程是由 JDK 而不是操作系統(tǒng)提供的線程的輕量級實(shí)現(xiàn)。它們是用戶模式線程的一種形式，在其他多線程語言中已經(jīng)成功(比如Golang中的協(xié)程和Erlang中的進(jìn)程)。虛擬線程采用 M:N 調(diào)度，其中大量 (M) 虛擬線程被調(diào)度為在較少數(shù)量 (N) 的 OS 線程上運(yùn)行。JDK 的虛擬線程調(diào)度程序是一種ForkJoinPool工作竊取的機(jī)制，以 FIFO 模式運(yùn)行。

我們可以很隨意地創(chuàng)建10000個虛擬線程：

// 預(yù)覽代碼
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    IntStream.range(0, 10_000).forEach(i -> {
        executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
            return i;
        });
    });
}  

無需擔(dān)心硬件資源是否扛得住，反過來如果你使用Executors.newCachedThreadPool()創(chuàng)建10000個平臺線程，在大多數(shù)操作系統(tǒng)上很容易因資源不足而崩潰。

為吞吐量而設(shè)計

但是這里依然要說明一點(diǎn)，虛擬線程并非為了提升執(zhí)行速度而設(shè)計。它并不比平臺線程速度快，它們的存在是為了提供規(guī)模(更高的吞吐量)，而不是速度(更低的延遲)。它們的數(shù)量可能比平臺線程多得多，因此根據(jù)利特爾定律，它們可以實(shí)現(xiàn)更高吞吐量所需的更高并發(fā)性。

換句話說，虛擬線程可以顯著提高應(yīng)用程序吞吐量

• 并發(fā)任務(wù)的數(shù)量很高(超過幾千個)，并且
• 工作負(fù)載不受 CPU 限制，因?yàn)樵谶@種情況下，擁有比處理器內(nèi)核多得多的線程并不能提高吞吐量。

虛擬線程有助于提高傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用程序的吞吐量，正是因?yàn)榇祟悜?yīng)用程序包含大量并發(fā)任務(wù)，這些任務(wù)花費(fèi)大量的時間等待。

增強(qiáng)可觀測性

編寫清晰的代碼并不是全部。對正在運(yùn)行的程序狀態(tài)的清晰表示對于故障排除、維護(hù)和優(yōu)化也很重要，JDK 長期以來一直提供調(diào)試、分析和監(jiān)視線程的機(jī)制。在虛擬線程中也會增強(qiáng)代碼的可觀測性，讓開發(fā)人員更好地調(diào)試代碼。

新的線程API

為此增加了新的線程API設(shè)計，目前放出的部分如下：

• Thread.Builder 線程構(gòu)建器。
• ThreadFactory 能批量構(gòu)建相同特性的線程工廠。
• Thread.ofVirtual() 創(chuàng)建一個虛擬線程。
• Thread.ofPlatform() 創(chuàng)建一個平臺線程。
• Thread.startVirtualThread(Runnable) 一種創(chuàng)建然后啟動虛擬線程的便捷方式。
• Thread.isVirtual() 測試線程是否是虛擬線程。

還有很多就不一一演示了，有興趣的自行去看JEP425。

總結(jié)

協(xié)程在Java社區(qū)已經(jīng)呼喚了很久了，現(xiàn)在終于有了實(shí)質(zhì)性的動作，這是一個非常重要的特性。不過這個功能涉及的東西還是很多的，包括平臺線程的兼容性、對ThreadLocal的一些影響、對JUC的影響。可能需要多次預(yù)覽才能最終落地，不過這已經(jīng)是很大的進(jìn)步了，起碼距離實(shí)裝已經(jīng)不遠(yuǎn)了，胖哥可能趕不上那個時候了，不過很多年輕的同學(xué)應(yīng)該能夠趕上。