什么是JDK21虚拟线程

news2024/11/25 3:52:33

JDK21虚拟线程

  • 1. 来一段小故事
  • 2. 什么是虚拟线程
  • 3. 虚拟线程的几个关键特点
  • 4.细说关键特点
    • 1.为什么轻量级的
      • 1.传统线程运行时间
      • 2.虚拟线程运行时间
      • 3.对垃圾回收的影响
    • 2.非绑定OS线程的魅力所在
    • 3.和传统相比为何易于使用
    • 4.阻塞优化有什么好处
      • 1.什么是阻塞优化
      • 2.JDK 21虚拟线程的阻塞优化
      • 3.传统线程的阻塞

1. 来一段小故事

  1. 假设博主经营一家快递公司，以前呢，每送一件包裹，你都得安排一辆大卡车出去，哪怕包裹很小。这样操作虽然可靠，但是成本高，效率低，特别是当有很多小包裹要送的时候，大卡车们忙着到处跑，油费不少花，还经常堵在路上。
  2. JDK21的虚拟线程就像是引入了一种新型的送快递方式。现在，你可以用很多轻便的电动车来送包裹，这些电动车就是“虚拟线程”。它们成本低，启动快，数量可以很多，应对大量小任务轻轻松松。当电动车（虚拟线程）在等红灯或者充电（执行耗时操作如读写文件）时，司机（JVM）就会让其他电动车接手其他包裹，保证路上总有车在跑，效率大大提升。
  3. 而且，用这些电动车安排送货任务非常简单，就像以前安排卡车一样，只是现在你有了更灵活、更高效的工具。当然，对于那些确实需要大卡车的大件货物（重量级计算任务），你还是可以用传统的卡车（操作系统线程），两种方式结合使用，让快递业务更加高效顺畅。这就是JDK21虚拟线程的通俗解释。

2. 什么是虚拟线程

  1. 首先，让我们揭开虚拟线程的神秘面纱。虚拟线程，或称为协程，是一种由JVM直接管理的轻量级线程。不同于操作系统级别的传统线程，每个虚拟线程占用的资源极小，使得在同一进程中可以轻松创建成千上万条这样的线程，极大地提升了系统对于高并发场景的应对能力。

  2. Thread.ofVirtual()：这是手动启动虚拟线程的简便方式，只需一行代码，你就能为特定任务分配一个虚拟线程。

  3. 结构化并发：JDK 21引入的预览特性之一，让并发控制更加有序和安全。通过结构化并发，程序可以在明确的生命周期边界内自动创建和管理虚拟线程，减少了死锁和竞态条件的风险。

  4. Executors的革新：类似线程池的使用模式，但针对虚拟线程进行了优化，让你能够以熟悉的API享受虚拟线程带来的性能提升。

  5. 用一串代码来体验一下：

public class VirtualThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个虚拟线程工厂
        var threadFactory = Thread.ofVirtual().factory();
        
        // 使用虚拟线程执行任务
        for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
            var vt = threadFactory.newThread(() -> {
                System.out.println('Hello from Virtual Thread: ' + Thread.currentThread());
            });
            vt.start();
        }
        
        // 等待所有虚拟线程完成（实际应用中需考虑更优雅的同步机制）
        // 这里仅作演示，未加入等待逻辑
    }
}
  1. 在上面代码中，我们使用Thread.ofVirtual().factory()创建了一个虚拟线程工厂，随后启动了1万个虚拟线程，每个线程打印出自己的信息。这在传统线程模型下几乎是不可想象的任务量，但在虚拟线程的支持下，却变得轻而易举

3. 虚拟线程的几个关键特点

  • 轻量级：虚拟线程的创建和销毁成本远低于操作系统线程，使得应用程序能够创建成千上万甚至百万级别的线程，这对于高并发场景特别有利。

  • 非绑定OS线程：虚拟线程不由操作系统直接管理，而是由Java虚拟机（JVM）管理。这意味着虚拟线程可以在较少的操作系统线程上实现复用，减少上下文切换开销和资源消耗。

  • 易于使用：开发者可以像创建常规线程一样创建虚拟线程，但不需要担心线程池大小调整或过多线程带来的性能问题。

  • 阻塞优化：当虚拟线程执行阻塞操作（如I/O操作、锁等待等）时，它们会被暂停，而其底层的载体线程（carrier thread，对应的操作系统线程）则可以被释放去执行其他虚拟线程，从而提高了整体的并发效率。

  • 调度由JVM控制：虚拟线程的生命周期、状态管理、任务提交、休眠和唤醒等操作完全由JVM控制，提供了更好的可控制性和灵活性。

4.细说关键特点

1.为什么轻量级的

1.传统线程运行时间

1.传统线程创建示例：

public class PlatformThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        long startTime = System.nanoTime();

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> doWork()).start();
        }

        System.out.printf("创建==> %d 个线程，用时==> %d 纳秒",
                10000, System.nanoTime() - startTime);
    }

    private static void doWork() {
        // 简单的工作逻辑
}

2.运行结果
在这里插入图片描述
3.运行时间为：1041478300纳秒

2.虚拟线程运行时间

1.虚拟线程创建示例

import java.util.concurrent.ThreadFactory;

public class VirtualThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        long startTime = System.nanoTime();
        ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.ofVirtual().factory();
        
        for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
            Thread vt = virtualThreadFactory.newThread(() -> doWork());
            vt.start();
        }
        
        System.out.printf("创建==> %d 个线程，用时==> %d 秒",
                1_000_000, System.nanoTime() - startTime);
    }

    private static void doWork() {
        // 简单的工作逻辑
    }
}

2.运行结果
在这里插入图片描述
3.运行时间为：536852800纳秒

3.对垃圾回收的影响

  1. 资源消耗减少：虚拟线程相较于操作系统线程消耗更少的内存资源。因为它们不需要分配大量的栈空间（通常虚拟线程的栈空间可以动态调整且较小），减少了堆外内存的占用，这可能导致GC活动减少，尤其是在大量线程并发的场景下。

  2. 栈内存管理：虚拟线程的栈是动态分配和释放的，这意味着当虚拟线程不再使用或阻塞时，其占用的栈内存可以更快地被回收或复用，减少了长时间运行过程中累积的内存碎片，有助于GC更高效地进行内存整理。

  3. 生命周期管理：虚拟线程的生命周期通常较短，尤其是在处理短暂任务后迅速结束，这减少了需要跟踪和回收的对象数量，减轻了GC的压力。

  4. GC频率：在高并发场景下，由于每个虚拟线程的内存占用减少，整体的内存分配速率可能降低，导致GC事件的发生频率相对降低。

  5. GC停顿时间：由于虚拟线程的轻量级特性，它们对堆内存的影响减小，可能减少因大对象分配或老年代回收而导致的长停顿时间。

  6. 内存使用效率：虚拟线程栈的高效管理有助于维持稳定的内存使用水平，减少内存碎片，使得内存使用更加平滑，GC曲线可能展现出更加平稳的趋势。

2.非绑定OS线程的魅力所在

  1. 资源效率：虚拟线程消耗的内存远低于传统OS线程，因为它们共享JVM的资源，减少了对系统资源的争抢。

  2. 上下文切换成本低：JVM优化了虚拟线程之间的切换过程，几乎感受不到额外开销，提升了整体性能。

  3. 简化编程模型：开发者不再需要复杂的线程池配置，可以像处理普通对象一样创建和销毁虚拟线程，降低了并发编程的门槛。

  4. 用一个生活中的案例比喻：设想一家在线零售平台在大促期间面临亿级用户请求的挑战。使用虚拟线程前，服务器可能因线程管理和资源分配问题而崩溃。但在采用JDK 21后，每个用户请求都能被迅速封装进一个轻量级的虚拟线程中，JVM智能调度确保所有请求得到高效、有序的处理，不仅提升了用户体验，还显著降低了运维成本。

  5. 总而言之，JDK 21中的虚拟线程及其非绑定OS线程特性，它以极简的资源占用、高效的执行效率以及友好的编程模型，为开发者铺设了一条通往高性能并发应用的康庄大道。

3.和传统相比为何易于使用

1.先来用代码写一个示例：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        Thread vThread = Thread.startVirtualThread(() -> {
            System.out.println('Hello, Virtual World!');
        });
        vThread.join(); // 等待虚拟线程结束
    }
}

2.就像代码中所写，创建一个虚拟线程就像调用：Thread.startVirtualThread(Runnable task)

3.这么简单，无需复杂的线程池配置，也不必担心过多线程导致的性能瓶颈

4.资源效率提升：传统线程每个都映射到操作系统层面，消耗显著资源。而虚拟线程则不然，它们数量众多却几乎不增加额外开销，使得应用程序能够更加灵活地应对高并发场景

4.阻塞优化有什么好处

1.什么是阻塞优化

1.用一个生活案例进行举例：假设博主正站在繁忙的十字路口，车辆川流不息，但偶尔因红灯而停滞不前，造成交通短暂拥堵。这就像我们的程序在执行过程中，线程遇到IO操作或锁竞争时被迫等待的情景。现在，想象有一种魔法，能让停滞的车辆瞬间消失，道路重新畅通无阻，直到绿灯亮起它们才再次出现——这就是JDK 21虚拟线程阻塞优化带给我们的奇迹。

2.阻塞优化的魅力：当虚拟线程遇到IO阻塞或类似情况时，JVM会施展它的“隐形斗篷”，将这个虚拟线程从其载体的平台线程上移除，释放该平台线程去处理其他任务。这一过程无需程序员显式编码，完全由JVM自动完成。相比之下，传统线程在阻塞时会占用一个操作系统线程，即使不做任何工作也是如此，白白浪费了宝贵的系统资源。

3.简要浏览一段代码：

public class VirtualThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个虚拟线程执行网络请求
        Thread vThread = Thread.startVirtualThread(() -> {
            var response = fetchFromNetwork('https://editor.csdn.net/md?not_checkout=1&spm=1001.2014.3001.5352&articleId=139201961');
            System.out.println('Data fetched: ' + response);
        });
        
        // 主线程继续执行其他任务
        System.out.println('Main thread doing other work...');
    }
    
    static String fetchFromNetwork(String url) {
        // 假设这是一个耗时的网络请求
        // 在此期间，虚拟线程会被透明卸载，不会阻塞主线程或其他任务
        return 'dummy data';
    }
}

4.在这段代码中，当我们发起网络请求时，虚拟线程会自动处理潜在的阻塞，确保主线程和其他任务不受影响，展现了其高效的并发能力。

2.JDK 21虚拟线程的阻塞优化

  • 自动的非阻塞转换：虚拟线程在执行到阻塞操作时，JVM会自动将其从当前的载体线程（即实际的平台线程）上移除，释放载体线程去执行其他任务，而不会直接阻塞操作系统线程。这意味着即使虚拟线程阻塞，也不再消耗宝贵的系统资源。

  • 轻量级上下文切换：虚拟线程之间的上下文切换比传统线程更为轻量，因为它们不涉及操作系统级别的状态保存和恢复，减少了开销。

  • 透明性：对于开发者而言，虚拟线程上的阻塞操作看起来像是同步的，但底层实际上是以非阻塞方式高效处理，无需手动编写复杂的异步回调逻辑，代码更加简洁、直观。

  • 资源效率：由于虚拟线程不直接占用操作系统资源，可以创建数以百万计的线程而不会耗尽系统资源，使得高度并发的应用成为可能。

代码示例：


// 假设代码在JDK 21环境下，使用虚拟线程执行阻塞操作
import java.util.concurrent.*;

public class VirtualThreadBlockingOptimized {
    public static void main(String[] args) {
        var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        
        Future<?> future = executor.submit(() -> {
            try {
            	 // 同样是阻塞操作，但虚拟线程优化了阻塞处理
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("虚拟线程完成阻塞操作");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });
        
        System.out.println("主线程继续执行，虚拟线程阻塞不会阻塞载体线程");
        
        try {
        	// 等待虚拟线程完成，非必须，仅为演示
            future.get(); 
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        executor.shutdown();
    }
}

3.传统线程的阻塞

在传统的线程模型中，每个线程直接映射到操作系统的一个线程。当线程执行到阻塞操作，如I/O操作或等待锁时，操作系统会将该线程挂起，直到阻塞条件解除。传统线程的阻塞优化通常涉及：

  • 非阻塞I/O（NIO）：使用如Java NIO来避免在I/O操作时阻塞线程，转而使用回调或者轮询机制来通知数据准备好。
  • 锁优化：如自旋锁、锁粗化、锁消除等技术减少线程因竞争锁而阻塞的情况。
  • 线程池：通过复用线程来减少频繁创建和销毁线程的开销，同时限制并发线程的数量以防止资源耗尽。

代码示例：

public class TraditionalThreadBlocking {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
            	// 阻塞操作，如读取文件或网络I/O
                Thread.sleep(1000); 
                System.out.println("传统线程完成阻塞操作");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });
        thread.start();
        System.out.println("主线程继续执行，但系统资源被阻塞的线程占用");
    }
}

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