Java21 虛擬線程，極大提升了系統(tǒng)性能！
前言
最近虛擬線程火了，極大提升了系統(tǒng)性能。
但有些小伙伴對(duì)進(jìn)程、線程、協(xié)程、虛擬線程之間的區(qū)別和聯(lián)系還是沒(méi)有搞清楚。
今天這篇文章就專門跟大家一起聊聊這個(gè)話題，希望對(duì)你會(huì)有所幫助。
一、進(jìn)程與線程
有些小伙伴在工作中可能經(jīng)常聽(tīng)到"進(jìn)程"和"線程"這兩個(gè)詞，但未必真正理解它們之間的本質(zhì)區(qū)別。
讓我用一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻來(lái)解釋：
想象一家大工廠（操作系統(tǒng)）：
- 進(jìn)程就像工廠中的一個(gè)獨(dú)立車間，每個(gè)車間有自己獨(dú)立的空間、原料和工具。
- 線程就像車間中的工人，共享車間的資源，協(xié)同完成生產(chǎn)任務(wù)。
進(jìn)程：獨(dú)立的執(zhí)行環(huán)境
進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。
每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的地址空間、數(shù)據(jù)棧、代碼段和其他系統(tǒng)資源。
// Java中創(chuàng)建進(jìn)程的示例
publicclass ProcessExample {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程（比如打開(kāi)計(jì)算器）
ProcessBuilder processBuilder = new ProcessBuilder("calc.exe");
Process process = processBuilder.start();
System.out.println("進(jìn)程ID: " + process.pid());
System.out.println("是否存活: " + process.isAlive());
// 等待進(jìn)程結(jié)束
try {
int exitCode = process.waitFor();
System.out.println("進(jìn)程退出碼: " + exitCode);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}進(jìn)程的特點(diǎn)：
- 獨(dú)立性：每個(gè)進(jìn)程有獨(dú)立的地址空間，互不干擾
- 安全性：一個(gè)進(jìn)程崩潰不會(huì)影響其他進(jìn)程
- 開(kāi)銷大：創(chuàng)建和銷毀進(jìn)程需要較大的系統(tǒng)開(kāi)銷
- 通信復(fù)雜：進(jìn)程間通信（IPC）需要特殊的機(jī)制
線程：輕量級(jí)的執(zhí)行單元
線程是進(jìn)程內(nèi)的執(zhí)行單元，是CPU調(diào)度和執(zhí)行的基本單位。
一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，這些線程共享進(jìn)程的資源。
// Java中創(chuàng)建線程的兩種方式
publicclass ThreadExample {
public static void main(String[] args) {
// 方式1：繼承Thread類
Thread thread1 = new MyThread();
thread1.start();
// 方式2：實(shí)現(xiàn)Runnable接口
Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable());
thread2.start();
// 方式3：使用Lambda表達(dá)式
Thread thread3 = new Thread(() -> {
System.out.println("Lambda線程執(zhí)行: " + Thread.currentThread().getName());
});
thread3.start();
}
}
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyThread執(zhí)行: " + Thread.currentThread().getName());
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println("MyRunnable執(zhí)行: " + Thread.currentThread().getName());
}
}線程的特點(diǎn)：
- 共享資源：同一進(jìn)程內(nèi)的線程共享內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源
- 輕量級(jí)：創(chuàng)建和銷毀線程的開(kāi)銷比進(jìn)程小
- 通信簡(jiǎn)單：線程間可以直接讀寫共享數(shù)據(jù)
- 安全性問(wèn)題：需要處理線程同步和資源共享問(wèn)題
二、線程的深入剖析
要真正理解線程，我們需要深入操作系統(tǒng)層面。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常采用三種線程模型：
1. 用戶級(jí)線程（ULT）
用戶級(jí)線程完全在用戶空間實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)不知道它們的存在。線程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步等都由用戶級(jí)的線程庫(kù)完成。
優(yōu)點(diǎn)：
- 線程切換不需要陷入內(nèi)核態(tài)，開(kāi)銷小
- 調(diào)度算法可以由應(yīng)用程序自定義
- 不依賴于操作系統(tǒng)支持
缺點(diǎn)：
- 一個(gè)線程阻塞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞
- 無(wú)法利用多核CPU的優(yōu)勢(shì)
2. 內(nèi)核級(jí)線程（KLT）
內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核直接支持和管理。每個(gè)內(nèi)核線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核級(jí)的調(diào)度實(shí)體。
優(yōu)點(diǎn)：
- 一個(gè)線程阻塞不會(huì)影響其他線程
- 能夠利用多核CPU并行執(zhí)行
缺點(diǎn)：
- 線程切換需要陷入內(nèi)核態(tài)，開(kāi)銷較大
- 創(chuàng)建線程需要系統(tǒng)調(diào)用
3. 混合模型
現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常采用混合模型，將用戶級(jí)線程映射到內(nèi)核級(jí)線程上。
Java線程就是這種模型的具體實(shí)現(xiàn)。
// Java線程與操作系統(tǒng)線程的對(duì)應(yīng)關(guān)系
publicclass ThreadInfoExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建多個(gè)線程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int threadId = i;
new Thread(() -> {
System.out.println("Java線程: " + Thread.currentThread().getName() +
", 操作系統(tǒng)線程ID: " + getThreadId());
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
// 獲取操作系統(tǒng)線程ID（Java 10+）
private static long getThreadId() {
return Thread.currentThread().threadId();
}
}三、協(xié)程
有些小伙伴可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)協(xié)程（Coroutine），尤其是在Go語(yǔ)言中非常流行。
那么協(xié)程和線程有什么區(qū)別呢？
協(xié)程的本質(zhì)
協(xié)程是一種比線程更加輕量級(jí)的執(zhí)行單元，它由程序員在用戶空間控制調(diào)度，而不是由操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度。
// Java中可以使用第三方庫(kù)實(shí)現(xiàn)協(xié)程（如Quasar）
// 以下是偽代碼示例，展示協(xié)程的概念
publicclass CoroutineExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建協(xié)程
Coroutine coroutine1 = new Coroutine(() -> {
System.out.println("協(xié)程1開(kāi)始");
Coroutine.yield(); // 主動(dòng)讓出執(zhí)行權(quán)
System.out.println("協(xié)程1繼續(xù)");
});
Coroutine coroutine2 = new Coroutine(() -> {
System.out.println("協(xié)程2開(kāi)始");
Coroutine.yield(); // 主動(dòng)讓出執(zhí)行權(quán)
System.out.println("協(xié)程2繼續(xù)");
});
// 手動(dòng)調(diào)度協(xié)程
coroutine1.run();
coroutine2.run();
coroutine1.run();
coroutine2.run();
}
}協(xié)程的特點(diǎn)：
- 極輕量級(jí)：一個(gè)程序可以輕松創(chuàng)建數(shù)十萬(wàn)個(gè)協(xié)程
- 協(xié)作式調(diào)度：由程序員控制調(diào)度時(shí)機(jī)
- 低成本切換：切換不需要陷入內(nèi)核態(tài)
- 同步編程風(fēng)格：可以用同步的方式編寫異步代碼
協(xié)程 vs 線程
為了更清晰地理解協(xié)程和線程的區(qū)別。
我們先看看執(zhí)行單元的對(duì)比圖：
再看看創(chuàng)建數(shù)量的對(duì)比圖：
四、虛擬線程
Java 19引入了虛擬線程（Virtual Threads），這是Java并發(fā)模型的一次重大革新。
虛擬線程旨在解決傳統(tǒng)平臺(tái)線程的局限性。
為什么需要虛擬線程？
有些小伙伴在工作中可能遇到過(guò)下面這些的問(wèn)題。
為了處理大量并發(fā)請(qǐng)求，我們創(chuàng)建了大量線程，但很快遇到了瓶頸：
- 線程數(shù)量限制：操作系統(tǒng)線程數(shù)有限制（通常幾千個(gè)）
- 內(nèi)存開(kāi)銷大：每個(gè)線程都需要分配棧內(nèi)存（默認(rèn)1MB）
- 上下文切換開(kāi)銷：線程切換需要內(nèi)核參與，開(kāi)銷較大
虛擬線程的實(shí)現(xiàn)原理
虛擬線程是JDK實(shí)現(xiàn)的輕量級(jí)線程，它們不是由操作系統(tǒng)直接調(diào)度，而是由JDK調(diào)度到平臺(tái)線程（操作系統(tǒng)線程）上執(zhí)行。
// Java 19+ 虛擬線程使用示例
publicclass VirtualThreadExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 創(chuàng)建虛擬線程
Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
System.out.println("虛擬線程執(zhí)行: " + Thread.currentThread());
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
// 等待虛擬線程結(jié)束
virtualThread.join();
// 使用虛擬線程處理大量任務(wù)
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
int taskId = i;
executor.submit(() -> {
System.out.println("任務(wù) " + taskId + " 在線程: " + Thread.currentThread());
Thread.sleep(1000);
return taskId;
});
}
}
}
}虛擬線程的優(yōu)勢(shì)
- 輕量級(jí)：可以創(chuàng)建數(shù)百萬(wàn)個(gè)虛擬線程而不會(huì)耗盡資源
- 低成本阻塞：虛擬線程阻塞時(shí)不會(huì)阻塞平臺(tái)線程
- 簡(jiǎn)化并發(fā)編程：可以用同步的代碼風(fēng)格編寫高并發(fā)程序
- 兼容現(xiàn)有代碼：虛擬線程是Thread的實(shí)現(xiàn)，兼容現(xiàn)有API
五、虛擬線程如何工作？
為了真正理解虛擬線程，我們需要深入其工作原理。
虛擬線程的實(shí)現(xiàn)基于一個(gè)關(guān)鍵概念：continuation。
Continuation的概念
Continuation表示一個(gè)可暫停和恢復(fù)的執(zhí)行上下文。當(dāng)虛擬線程執(zhí)行阻塞操作時(shí)，JDK會(huì)掛起當(dāng)前的continuation，并釋放平臺(tái)線程去執(zhí)行其他任務(wù)。
// 偽代碼：展示continuation的概念
publicclass ContinuationExample {
public static void main(String[] args) {
ContinuationScope scope = new ContinuationScope("example");
Continuation continuation = new Continuation(scope, () -> {
System.out.println("步驟1");
Continuation.yield(scope); // 暫停執(zhí)行
System.out.println("步驟2");
Continuation.yield(scope); // 暫停執(zhí)行
System.out.println("步驟3");
});
// 分步執(zhí)行
while (!continuation.isDone()) {
System.out.println("開(kāi)始執(zhí)行步驟...");
continuation.run();
System.out.println("步驟執(zhí)行暫停");
}
}
}虛擬線程的調(diào)度模型
虛擬線程使用ForkJoinPool作為調(diào)度器，將虛擬線程調(diào)度到平臺(tái)線程上執(zhí)行。
當(dāng)一個(gè)虛擬線程執(zhí)行阻塞操作時(shí)，調(diào)度器會(huì)自動(dòng)將其掛起，并調(diào)度其他虛擬線程到平臺(tái)線程上執(zhí)行。
這種調(diào)度模型使得少量平臺(tái)線程可以高效地執(zhí)行大量虛擬線程，極大地提高了系統(tǒng)的并發(fā)能力。
六、不同場(chǎng)景下的選擇
有些小伙伴可能會(huì)問(wèn)：既然虛擬線程這么強(qiáng)大，是不是應(yīng)該全部使用虛擬線程呢？其實(shí)不然，不同的場(chǎng)景適合不同的并發(fā)模型。
1. CPU密集型任務(wù)
對(duì)于CPU密集型任務(wù)（如計(jì)算、數(shù)據(jù)處理），傳統(tǒng)線程可能更合適：
// CPU密集型任務(wù)示例
publicclass CpuIntensiveTask {
public static void main(String[] args) {
int processors = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(processors);
for (int i = 0; i < 100; i++) {
executor.submit(() -> {
// 復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)
compute();
});
}
executor.shutdown();
}
private static void compute() {
// 模擬CPU密集型計(jì)算
long result = 0;
for (long i = 0; i < 100000000L; i++) {
result += i * i;
}
System.out.println("計(jì)算結(jié)果: " + result);
}
}2. IO密集型任務(wù)
對(duì)于IO密集型任務(wù)（如網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)庫(kù)操作），虛擬線程有明顯的優(yōu)勢(shì)：
// IO密集型任務(wù)示例 - 使用虛擬線程
publicclass IoIntensiveTask {
public static void main(String[] args) {
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
executor.submit(() -> {
// 模擬IO操作
String data = httpGet("https://api.example.com/data");
processData(data);
returnnull;
});
}
}
}
private static String httpGet(String url) {
// 模擬HTTP請(qǐng)求
try {
Thread.sleep(100); // 模擬網(wǎng)絡(luò)延遲
return"response data";
} catch (InterruptedException e) {
thrownew RuntimeException(e);
}
}
private static void processData(String data) {
// 處理數(shù)據(jù)
System.out.println("處理數(shù)據(jù): " + data);
}
}3. 混合型任務(wù)
對(duì)于既有CPU計(jì)算又有IO操作的任務(wù)，可以根據(jù)具體情況選擇：
// 混合型任務(wù)示例
publicclass MixedTask {
public static void main(String[] args) {
// 對(duì)于IO部分使用虛擬線程
try (var ioExecutor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
List<Future<String>> futures = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
futures.add(ioExecutor.submit(() -> {
// IO操作
return fetchData();
}));
}
// 對(duì)于CPU密集型部分使用固定線程池
int processors = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
ExecutorService cpuExecutor = Executors.newFixedThreadPool(processors);
for (Future<String> future : futures) {
cpuExecutor.submit(() -> {
try {
String data = future.get();
// CPU密集型處理
processDataIntensively(data);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
cpuExecutor.shutdown();
}
}
}七、性能對(duì)比
為了更直觀地展示不同并發(fā)模型的性能差異，我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的性能測(cè)試：
// 性能對(duì)比測(cè)試
publicclass PerformanceComparison {
privatestaticfinalint TASK_COUNT = 10000;
privatestaticfinalint IO_DELAY_MS = 100;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 測(cè)試平臺(tái)線程
long startTime = System.currentTimeMillis();
testPlatformThreads();
long platformTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
// 測(cè)試虛擬線程
startTime = System.currentTimeMillis();
testVirtualThreads();
long virtualTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
System.out.println("平臺(tái)線程耗時(shí): " + platformTime + "ms");
System.out.println("虛擬線程耗時(shí): " + virtualTime + "ms");
System.out.println("性能提升: " + (double) platformTime / virtualTime + "倍");
}
private static void testPlatformThreads() throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(200);
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(TASK_COUNT);
for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
executor.submit(() -> {
try {
Thread.sleep(IO_DELAY_MS); // 模擬IO操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
latch.countDown();
}
});
}
latch.await();
executor.shutdown();
}
private static void testVirtualThreads() throws InterruptedException {
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(TASK_COUNT);
for (int i = 0; i < TASK_COUNT; i++) {
executor.submit(() -> {
try {
Thread.sleep(IO_DELAY_MS); // 模擬IO操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
latch.countDown();
}
});
}
latch.await();
}
}
}測(cè)試結(jié)果分析：
- 平臺(tái)線程池（200線程）：處理10000個(gè)任務(wù)約50秒
- 虛擬線程：處理10000個(gè)任務(wù)約1秒
- 性能提升：約50倍
這個(gè)測(cè)試清楚地展示了虛擬線程在IO密集型場(chǎng)景下的巨大優(yōu)勢(shì)。
總結(jié)
經(jīng)過(guò)上面的詳細(xì)講解，現(xiàn)在我們來(lái)總結(jié)一下各種并發(fā)模型的適用場(chǎng)景和最佳實(shí)踐：
1. 進(jìn)程 vs 線程 vs 協(xié)程 vs 虛擬線程
特性 | 進(jìn)程 | 線程 | 協(xié)程 | 虛擬線程 |
隔離性 | 高 | 低 | 低 | 低 |
創(chuàng)建開(kāi)銷 | 大 | 中 | 小 | 極小 |
切換開(kāi)銷 | 大 | 中 | 小 | 小 |
內(nèi)存占用 | 大 | 中 | 小 | 小 |
并發(fā)數(shù)量 | 幾十個(gè) | 幾千個(gè) | 幾十萬(wàn) | 百萬(wàn)級(jí) |
適用場(chǎng)景 | 獨(dú)立應(yīng)用 | 通用并發(fā) | 特定語(yǔ)言 | IO密集型 |
2. 選擇指南
- 需要完全隔離：選擇進(jìn)程（如微服務(wù)架構(gòu)）
- CPU密集型任務(wù)：選擇平臺(tái)線程池（線程數(shù)≈CPU核心數(shù)）
- IO密集型任務(wù)：選擇虛擬線程（Java 19+）
- 極高并發(fā)需求：考慮協(xié)程（如Go語(yǔ)言）或虛擬線程
- 現(xiàn)有系統(tǒng)遷移：逐步引入虛擬線程，保持兼容性
3. 最佳實(shí)踐
有些小伙伴在工作中使用并發(fā)編程時(shí)，可以參考以下最佳實(shí)踐：
- 避免過(guò)度使用線程：不要?jiǎng)?chuàng)建過(guò)多平臺(tái)線程
- 合理使用線程池：根據(jù)任務(wù)類型選擇合適的線程池
- 嘗試虛擬線程：在IO密集型場(chǎng)景中嘗試使用虛擬線程
- 監(jiān)控線程狀態(tài)：使用監(jiān)控工具跟蹤線程使用情況
- 理解業(yè)務(wù)特性：根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇合適的并發(fā)模型
未來(lái)展望
虛擬線程是Java并發(fā)編程的一次重大飛躍，但它們并不是終點(diǎn)。
隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的變化，并發(fā)模型還會(huì)繼續(xù)演進(jìn)：
- 更好的工具支持：調(diào)試、監(jiān)控工具需要適應(yīng)虛擬線程
- 更優(yōu)的調(diào)度算法：針對(duì)不同場(chǎng)景的智能調(diào)度
- 新的編程模型：響應(yīng)式編程、actor模型等與虛擬線程的結(jié)合
- 硬件協(xié)同優(yōu)化：與新一代硬件（如DPU）的協(xié)同優(yōu)化
記?。?/span>沒(méi)有最好的并發(fā)模型，只有最適合的并發(fā)模型。
