什么是虚拟线程？与普通线程的区别

引言：线程的演进与挑战

在传统的并发编程中，线程是一种非常重要的概念。我们使用线程来实现任务的并发执行，从而提高程序的执行效率。普通线程（如 Thread 类）是一种重量级的线程，每个线程都对应着操作系统内核中的一个线程，这意味着系统需要为每个线程分配独立的资源（如栈空间、内存等），从而可能导致性能瓶颈，尤其是在需要大量并发线程时。

为了克服这个问题，Java 在 JDK 21 中引入了 虚拟线程（Virtual Threads）。虚拟线程是轻量级的线程，它们由 Java 的 JVM 管理，并不直接依赖操作系统的线程调度机制，因此能够大规模地创建和管理大量并发任务。

在这篇文章中，我们将深入探讨虚拟线程的概念，并与传统的普通线程进行对比，帮助你理解虚拟线程的优势以及在实际开发中的应用场景。

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一、普通线程的特点

普通线程（也称为操作系统线程）是操作系统直接管理的线程。每个线程都有自己的堆栈、程序计数器等资源。操作系统通过 线程调度器 来调度和管理这些线程，确保它们在多个处理器核心上执行。

普通线程的特点：

• 操作系统管理：每个普通线程都由操作系统内核直接管理。
• 重量级：创建和销毁线程的成本较高，因为操作系统需要为每个线程分配堆栈和其他资源。
• 并发受限：由于线程创建开销大，操作系统通常会限制同时运行的线程数量，导致高并发时出现资源竞争和上下文切换的开销。
• 上下文切换：操作系统通过上下文切换来切换不同线程的执行状态，这个过程是有成本的，特别是在大量线程的情况下。

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二、虚拟线程的概念

虚拟线程是 JDK 21 引入的一项新特性，它为 Java 提供了一种轻量级的并发模型。虚拟线程并不依赖操作系统的线程调度，而是由 JVM 负责调度和管理。每个虚拟线程的栈大小和执行成本都比普通线程小得多，因此可以大规模地创建虚拟线程，从而实现高并发。

虚拟线程的特点：

• JVM管理：虚拟线程由 JVM 管理，而非操作系统。JVM 会将多个虚拟线程映射到少量的操作系统线程上。
• 轻量级：虚拟线程的栈空间小，创建和销毁的成本也远低于操作系统线程。
• 大规模并发：可以创建成千上万甚至更多的虚拟线程，而不会导致性能瓶颈。
• 调度效率高：由于 JVM 管理线程调度，虚拟线程的上下文切换非常高效，几乎不需要操作系统的参与。
• 适合 IO 密集型任务：虚拟线程特别适合处理大量的 IO 密集型任务，因为它们的生命周期成本低，能够快速切换。

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三、虚拟线程和普通线程的区别

虚拟线程和普通线程有很多显著的区别，以下是几个关键点：

特性	普通线程	虚拟线程
管理者	操作系统（内核线程）	JVM（用户空间线程）
创建成本	较高，需要为每个线程分配栈和资源	较低，创建虚拟线程的成本非常小
栈空间	每个线程都有独立的栈空间，通常为1MB左右	轻量级的栈空间，通常为几KB到几十KB
线程调度	操作系统负责调度	JVM负责调度，依赖于 JVM 的线程池
上下文切换	操作系统进行上下文切换，较慢	JVM 高效的上下文切换，几乎无成本
适用场景	适用于 CPU 密集型任务	适用于 IO 密集型任务
线程数限制	受操作系统限制，通常在几十到几百个之间	可以创建成千上万的虚拟线程
性能开销	线程创建和销毁成本较高，内存占用大	线程创建和销毁成本低，内存占用少

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四、虚拟线程的优势

1. 大规模并发处理：

   • 由于虚拟线程的栈空间较小，且创建和销毁成本低，理论上可以创建数百万个虚拟线程。这使得它在处理高并发任务时，比传统的线程更具优势。
   • 例如，处理大量独立的 IO 操作（如 HTTP 请求处理、数据库查询等）时，虚拟线程能够提供极高的性能。

2. 低内存占用：

   • 虚拟线程的内存开销比普通线程要小得多。每个虚拟线程的栈大小仅为普通线程的几分之一，因此可以在有限的内存空间中创建更多的线程。

3. 高效的上下文切换：

   • 传统线程的上下文切换由操作系统负责，通常较为昂贵。而虚拟线程的上下文切换是由 JVM 管理的，效率极高，几乎没有开销。

4. 适应异步编程模型：

   • 虚拟线程非常适合处理异步任务和 IO 密集型操作，能够以同步的方式编写异步代码。例如，在处理大量 HTTP 请求时，可以通过虚拟线程编写出更简洁、易于理解的同步代码，而不需要传统的回调或 Future。

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五、如何使用虚拟线程

JDK 21 引入了一个名为 java.util.concurrent.VirtualThread 的新 API，它使得虚拟线程的使用变得非常简单。下面是如何在 Java 中使用虚拟线程的一个基本示例：

public class VirtualThreadExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个虚拟线程并启动
        Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
            System.out.println("Hello from virtual thread!");
        });

        // 等待虚拟线程执行完成
        virtualThread.join();
    }
}

在上面的代码中，我们使用 Thread.ofVirtual() 来创建虚拟线程，虚拟线程启动后会执行指定的任务。与传统线程相比，虚拟线程的使用方式几乎没有变化。

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六、虚拟线程的应用场景

虚拟线程非常适合以下场景：

• 高并发的 IO 密集型任务：例如 Web 服务器、网络爬虫、文件系统操作等。虚拟线程能够处理大量的并发请求，而不需要过多的内存开销。
• 异步编程模型：通过虚拟线程，可以用同步的方式处理异步任务，使得代码更加简洁易懂。
• 任务调度系统：虚拟线程也非常适合用于任务调度系统，可以大规模地调度并发任务。

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七、总结：虚拟线程的未来

虚拟线程的引入为 Java 并发编程提供了全新的选择，使得我们能够更加高效地处理大规模并发任务。它的轻量级、高效性和低内存占用，使得虚拟线程成为处理 IO 密集型任务的理想选择。

在未来，随着 Java 生态的进一步发展，我们预计虚拟线程会在更多的领域得到应用，特别是在大规模并发处理和高性能计算领域。

如果你目前还在使用传统的线程池来处理并发任务，虚拟线程无疑是一个值得尝试的技术，它可以大大简化你的代码并提升性能。

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