虚拟线程详解

霍师傅
Java教程
2024-12-02
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虚拟线程（Virtual Thread）是Java 19引入的一种轻量级线程，它在很多其他语言中被称为协程、纤程、绿色线程、用户态线程等。

在理解虚拟线程前，我们先回顾一下线程的特点：

线程是由操作系统创建并调度的资源；
线程切换会耗费大量CPU时间；
一个系统能同时调度的线程数量是有限的，通常在几百至几千级别。

因此，我们说线程是一种重量级资源。在服务器端，对用户请求，通常都实现为一个线程处理一个请求。由于用户的请求数往往远超操作系统能同时调度的线程数量，所以通常使用线程池来尽量减少频繁创建和销毁线程的成本。

对于需要处理大量IO请求的任务来说，使用线程是低效的，因为一旦读写IO，线程就必须进入等待状态，直到IO数据返回。常见的IO操作包括：

读写文件；
读写网络，例如HTTP请求；
读写数据库，本质上是通过JDBC实现网络调用。

我们举个例子，一个处理HTTP请求的线程，它在读写网络、文件的时候就会进入等待状态：

Begin
────────
Blocking ──▶ Read HTTP Request
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Config File
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Database
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Send HTTP Response
Wait...
Wait...
────────
End

真正由CPU执行的代码消耗的时间非常少，线程的大部分时间都在等待IO。我们把这类任务称为IO密集型任务。

为了能高效执行IO密集型任务，Java从19开始引入了虚拟线程。虚拟线程的接口和普通线程是一样的，但是执行方式不一样。虚拟线程不是由操作系统调度，而是由普通线程调度，即成百上千个虚拟线程可以由一个普通线程调度。任何时刻，只能执行一个虚拟线程，但是，一旦该虚拟线程执行一个IO操作进入等待时，它会被立刻“挂起”，然后执行下一个虚拟线程。什么时候IO数据返回了，这个挂起的虚拟线程才会被再次调度。因此，若干个虚拟线程可以在一个普通线程中交替运行：

Begin
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Read HTTP Request
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read Config File
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Read Database
───────────
V2 Runing
V2 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
V1 Runing
V1 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
V3 Runing
V3 Blocking ──▶ Send HTTP Response
───────────
End

如果我们单独看一个虚拟线程的代码，在一个方法中：

void register() {
    config = readConfigFile("./config.json"); // #1
    if (config.useFullName) {
        name = req.firstName + " " + req.lastName;
    }
    insertInto(db, name); // #2
    if (config.cache) {
        redis.set(key, name); // #3
    }
}

涉及到IO读写的#1、#2、#3处，执行到这些地方的时候（进入相关的JNI方法内部时）会自动挂起，并切换到其他虚拟线程执行。等到数据返回后，当前虚拟线程会再次调度并执行，因此，代码看起来是同步执行，但实际上是异步执行的。

使用虚拟线程

虚拟线程的接口和普通线程一样，唯一区别在于创建虚拟线程只能通过特定方法。

方法一：直接创建虚拟线程并运行：

// 传入Runnable实例并立刻运行:
Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(10);
    System.out.println("End virtual thread.");
});

方法二：创建虚拟线程但不自动运行，而是手动调用start()开始运行：

// 创建VirtualThread:
Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();

方法三：通过虚拟线程的ThreadFactory创建虚拟线程，然后手动调用start()开始运行：

// 创建ThreadFactory:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
// 创建VirtualThread:
Thread vt = tf.newThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();

直接调用start()实际上是由ForkJoinPool的线程来调度的。我们也可以自己创建调度线程，然后运行虚拟线程：

// 创建调度器:
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
// 创建大量虚拟线程并调度:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
for (int i=0; i<100000; i++) {
    Thread vt = tf.newThread(() -> { ... });
    executor.submit(vt);
    // 也可以直接传入Runnable或Callable:
    executor.submit(() -> {
        System.out.println("Start virtual thread...");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("End virtual thread.");
        return true;
    });
}

由于虚拟线程属于非常轻量级的资源，因此，用时创建，用完就扔，不要池化虚拟线程。

最后注意，虚拟线程在Java 21正式发布，在Java 19/20是预览功能，默认关闭，需要添加参数--enable-preview启用：

java --source 19 --enable-preview Main.java

使用限制

注意到只有以虚拟线程方式运行的代码，才会在执行IO操作时自动被挂起并切换到其他虚拟线程。普通线程的IO操作仍然会等待，例如，我们在main()方法中读写文件，是不会有调度和自动挂起的。

可以自动引发调度切换的操作包括：

文件IO；
网络IO；
使用Concurrent库引发等待；
Thread.sleep()操作。

这是因为JDK为了实现虚拟线程，已经对底层相关操作进行了修改，这样应用层的Java代码无需修改即可使用虚拟线程。无法自动切换的语言需要用户手动调用await来实现异步操作：

async function doWork() {
    await readFile();
    await sendNetworkData();
}

在虚拟线程中，如果绕过JDK的IO接口，直接通过JNI读写文件或网络是无法实现调度的。此外，在synchronized块内部也无法调度。

练习

使用虚拟线程调度10万个任务并观察耗时：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService es = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        for (int i=0; i<100000; i++) {
            es.submit(() -> {
                Thread.sleep(1000);
                return 0;
            });
        }
        es.close();
    }
}

再将ExecutorService改为线程池模式并对比结果。

下载练习

小结

Java 19引入的虚拟线程是为了解决IO密集型任务的吞吐量，它可以高效通过少数线程去调度大量虚拟线程；

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，能最大化线程的执行效率；

虚拟线程使用普通线程相同的接口，最大的好处是无需修改任何代码，就可以将现有的IO操作异步化获得更大的吞吐能力。

计算密集型任务不应使用虚拟线程，只能通过增加CPU核心解决，或者利用分布式计算资源。