Java 21 新特性：虚拟线程（Virtual Threads）

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在Java 21中，引入了虚拟线程（Virtual Threads）来简化和增强并发性，这使得在Java中编程并发程序更容易、更高效。

虚拟线程，也称为“用户模式线程（user-mode threads）”或“纤程（fibers）”。该功能旨在简化并发编程并提供更好的可扩展性。虚拟线程是轻量级的，这意味着它们可以比传统线程创建更多数量，并且开销要少得多。这使得在自己的线程中运行单独任务或请求变得更加实用，即使在高吞吐量的程序中也是如此。

创建和使用虚拟线程

在Java 21中创建和使用虚拟线程有多种方法：

1. 使用静态构建器方法

Thread.startVirtualThread方法将可运行对象作为参数来创建，并立即启动虚拟线程，具体如下代码：

Runnable runnable = () -> {
    System.out.println("Hello, www.didispace.com");
};

// 使用静态构建器方法
Thread virtualThread = Thread.startVirtualThread(runnable);

也可以使用Thread.ofVirtual()来创建，这里还可以设置一些属性，比如：线程名称。具体如下代码：

Thread.ofVirtual()
        .name("didispace-virtual-thread")
        .start(runnable);

2. 与ExecutorService结合使用

从Java 5开始，就推荐开发人员使用ExecutorServices而不是直接使用Thread类了。现在，Java 21中引入了使用虚拟线程，所以也有了新的ExecutorService来适配，看看下面的例子：

Runnable runnable = () -> {
    System.out.println("Hello, www.didispace.com");
};

try (ExecutorService executorService = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        executorService.submit(runnable);
    }
}

上述代码在try代码块中创建了一个ExecutorServices，用来为每个提交的任务创建虚拟线程。

3. 使用虚拟线程工厂

开发者还可以创建一个生成虚拟线程的工厂来管理，具体看下面的例子例子：

Runnable runnable = () -> {
    System.out.println("Hello, www.didispace.com");
};

ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.ofVirtual()
        .name("didispace", 0)
        .factory();

Thread factoryThread = virtualThreadFactory.newThread(runnable);
factoryThread.start;

这段代码创建了一个虚拟线程工厂，每个虚拟线程都会以didispace为前缀、以数字结尾（从0开始累加）的名称。

虚拟线程实现原理

虚拟线程是一种轻量级（用户模式）线程，这种线程是由Java虚拟机调度，而不是操作系统。虚拟线程占用空间小，任务切换开销几乎可以忽略不计，因此可以极大量地创建和使用。总体来看，虚拟线程实现如下：

virtual thread = continuation + scheduler

虚拟线程会把任务（一般是java.lang.Runnable）包装到一个Continuation实例中：

• 当任务需要阻塞挂起的时候，会调用Continuation的yield操作进行阻塞
• 当任务需要解除阻塞继续执行的时候，Continuation会被继续执行

Scheduler也就是执行器，会把任务提交到一个载体线程池中执行：

• 执行器是java.util.concurrent.Executor的子类
• 虚拟线程框架提供了一个默认的ForkJoinPool用于执行虚拟线程任务

下文会把carrier thread称为"载体线程"，指的是负责执行虚拟线程中任务的平台线程，或者说运行虚拟线程的平台线程称为它的载体线程

操作系统调度系统线程，而Java平台线程与系统线程一一映射，所以平台线程被操作系统调度，但是虚拟线程是由JVM调度。JVM把虚拟线程分配给平台线程的操作称为mount（挂载），反过来取消分配平台线程的操作称为unmount（卸载）：

• mount操作：虚拟线程挂载到平台线程，虚拟线程中包装的Continuation栈数据帧或者引用栈数据会被拷贝到平台线程的线程栈，这是一个从堆复制到栈的过程
• unmount操作：虚拟线程从平台线程卸载，大多数虚拟线程中包装的Continuation栈数据帧会留在堆内存中

小结

上面我们介绍了虚拟线程的创建和使用，而我们大多数Java开发者都基于Spring来开发具体业务应用，所以很多场景下可能都不太涉及手工创建的操作。所以，对于虚拟线程的概念，你只需要有一个基本的认识。所以，在文章的最后，做一个小结，以方便大家理解和记忆：

• 虚拟线程是由JVM管理的轻量级线程。
• 虚拟线程不需要任何显式分配或调度。
• 虚拟线程非常适合I/O密集型任务或需要大量并行性的任务。
• 虚拟线程也可以用来实现异步操作。

另外，值得注意的是，虽然虚拟线程可以在并发性和可扩展性方面提供显着的帮助，但它们并不总是适合所有场景。有些需要大量计算的任务，并不一定在虚拟线程中运行更好，因为虚拟线程也有上下文切换的开。具体情况还是需要通过测试评测，以找到最优解。