千呼万唤始出来：Java终于发布了"协程"--虚拟线程!

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2023年07月25日 00:34 · 阅读数 17

你好，我是猿java。

今天分享的内容是 Java 的一个重量级功能：虚拟线程。

背景

2022-09-20，JDK 19 发布了GA版本，备受瞩目的协程功能也算尘埃落地，不过，此次 GA版本并不是以协程来命名，而是使用了 Virtual Thread（虚拟线程），并且是 preview预览版本。小编最早关注到协程功能是在 2020年，那时孵化项目叫做 Java project Loom，使用的是 Fiber（直译为：纤维，意译为：轻量级线程，即协程），但是 GA版本为何最终被定义为 Virtual Thread（虚拟线程），原因不得而知。

GA: General Availability，正式发布的版本，在国外都是用 GA来指代 release版本；

JEP: JDK Enhancement Proposal, JDK增强建议，JEP是一个JDK核心技术相关的增强建议文档；

为什么需要虚拟线程

既然 Java官方推出一个和线程这么相近的概念，必定是要解决线程的某些问题，因此，我们先回顾下线程的一些特点：

Java中的线程是对操作系统线程的一个简单包装，线程的创建，调度和销毁等都是由操作系统完成；
线程切换需要消耗CPU时间，这部分时间是与业务无关的；
线程的性能直接受操作系统处理能力的影响；

因此，线程是一种重量级的资源，作为一名 Java程序员应该深有体会。所以，为了更好的管理线程，Java采用了池化（线程池）的方式进行管理线程，避免线程频繁创建和销毁带来的开销。但是，尽管线程池避免线程大部分创建和销毁的开销，但是线程的调度还是直接受操作系统的影响，那么有没有更好的方式来打破这种限制，因此，虚拟线程就孕育而生。

在 JDK 19源码中，官方直接在 java.lang包下新增一个 VirtualThread类来表示虚拟线程，为了更好的区分虚拟线程和原有的 Thread线程，官方给 Thread类赋予了一个高大上的名字：平台线程。

下面给出了 JDK 19中虚拟线程的 Diagram截图以及平台线程和系统线程的关系图：

千呼万唤始出来：Java终于发布了"协程"--虚拟线程!

想了解更多关系线程的知识，可以参考往期的文章：深度剖析：Java线程运行机制，程序员必看的知识点！

如何创建虚拟线程

1.通过 Thread.startVirtualThread()创建

如下示例代码，通过 Thread.startVirtualThread()可以创建一个新的并且已启动的虚拟线程，该方法等价于 Thread.ofVirtual().start(task)：

public class VirtualThreadTest {  
  
public static void main(String[] args) {  
CustomThread customThread = new CustomThread();  
// 创建并且启动虚拟线程  
Thread.startVirtualThread(customThread);  
}  
}  
  
class CustomThread implements Runnable {  
@Override  
public void run() {  
System.out.println("CustomThread run");  
}  
}

2.通过 Thread.ofVirtual()创建

如下示例代码，通过 Thread.ofVirtual().unstarted()方式可以创建一个新的未启动的虚拟线程，然后通过 Thread.start()来启动线程，也可以通过 Thread.ofVirtual().start()直接创建一个新的并已启动的虚拟线程：

public class VirtualThreadTest {  
  
public static void main(String[] args) {  
CustomThread customThread = new CustomThread();  
// 创建并且不启动虚拟线程，然后 unStarted.start()方法启动虚拟线程  
Thread unStarted = Thread.ofVirtual().unstarted(customThread);  
unStarted.start();  
  
// 等同于  
Thread.ofVirtual().start(customThread);  
}  
}  
  
class CustomThread implements Runnable {  
@Override  
public void run() {  
System.out.println("CustomThread run");  
}  
}

3.通过 ThreadFactory创建

如下示例代码，通过 ThreadFactory.newThread()方式就能创建一个虚拟线程，然后通过 Thread.start()来启动线程：

public class VirtualThreadTest {  
  
public static void main(String[] args) {  
CustomThread customThread = new CustomThread();  
// 获取线程工厂类  
ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().factory();  
// 创建虚拟线程  
Thread thread = factory.newThread(customThread);  
// 启动线程  
thread.start();  
}  
}  
  
class CustomThread implements Runnable {  
@Override  
public void run() {  
System.out.println("CustomThread run");  
}  
}

4.通过 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()创建

如下示例代码，通过 JDK自带的Executors工具类方式创建一个虚拟线程，然后通过 executor.submit()来启动线程：

public class VirtualThreadTest {  
  
public static void main(String[] args) {  
CustomThread customThread = new CustomThread();  
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();  
executor.submit(customThread);  
}  
}  
  
class CustomThread implements Runnable {  
@Override  
public void run() {  
System.out.println("CustomThread run");  
}  
}

通过上述列举的 4种创建虚拟线程的方式可以看出，官方为了降低虚拟线程的门槛，尽力复用原有的Thread线程类，这样可以平滑的过渡到虚拟线程的使用。不过，在 Java 19中，虚拟线程还是一个预览功能，默认关闭，需要使用参数 --enable-preview 来启用该功能，预览功能源码和启动虚拟线程指令如下：

// Thread 源码，通过 @PreviewFeature 注解来标注 虚拟线程为 预览功能  
public class Thread implements Runnable {  
/**  
* Creates a virtual thread to execute a task and schedules it to execute.  
This method is equivalent to: Thread.ofVirtual().start(task);  
Params: task – the object to run when the thread executes  
Returns: a new, and started, virtual thread  
Throws: UnsupportedOperationException – if preview features are not enabled  
Since: 19  
See Also: Inheritance when creating threads  
* @param task  
* @return  
*/  
@PreviewFeature(feature = PreviewFeature.Feature.VIRTUAL_THREADS)  
public static Thread startVirtualThread(Runnable task) {  
Objects.requireNonNull(task);  
// 判断是否开启虚拟线程功能  
PreviewFeatures.ensureEnabled();  
var thread = ThreadBuilders.newVirtualThread(null, null, 0, task);  
thread.start();  
return thread;  
}  
  
// 异常信息提醒 可以通过 --enable-preview 开启虚拟线程功能  
public static void ensureEnabled() {  
if (!isEnabled()) {  
throw new UnsupportedOperationException(  
"Preview Features not enabled, need to run with --enable-preview");  
}  
}  
}

# 开启虚拟线程功能  
java --source 19 --enable-preview XXX.java

IDEA 中配置 --enable-preview 如下图：

千呼万唤始出来：Java终于发布了"协程"--虚拟线程!

为了更好的感受虚拟线程的性能，我们模拟一个对比测试用例：分别使用虚拟线程和线程池执行10w个任务，每个线程任务睡眠10ms，统计各自的总耗时和创建的最大平台线程总数，示例代码如下：

// 虚拟线程  
public class VirtualThreadTest {  
static List<Integer> list = new ArrayList<>();  
  
public static void main(String[] args) {  
// 开启一个线程来监控当前的平台线程（系统线程）总数  
ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);  
scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> {  
ThreadMXBean threadBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();  
ThreadInfo[] threadInfo = threadBean.dumpAllThreads(false, false);  
saveMaxThreadNum(threadInfo.length);  
}, 10, 10, TimeUnit.MILLISECONDS);  
  
long start = System.currentTimeMillis();  
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();  
for (int i = 0; i < 10000; i++) {  
executor.submit(() -> {  
// 线程睡眠 10ms，可以等同于模拟业务耗时10ms  
try {  
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);  
} catch (InterruptedException e) {  
  
}  
});  
}  
executor.close();  
System.out.println("max：" + list.get(0) + " platform thread/os thread");  
System.out.printf("totalMillis：%dms\n", System.currentTimeMillis() - start);  
}  
}  
  
public class ThreadTest {  
static List<Integer> list = new ArrayList<>();  
public static void main(String[] args) {  
// 开启一个线程来监控当前的平台线程（系统线程）总数  
ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);  
scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> {  
ThreadMXBean threadBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();  
ThreadInfo[] threadInfo = threadBean.dumpAllThreads(false, false);  
saveMaxThreadNum(threadInfo.length);  
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);  
  
long start = System.currentTimeMillis();  
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(200);  
for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
executor.submit(() -> {  
try {  
// 线程睡眠 10ms，可以等同于模拟业务耗时10ms  
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);  
} catch (InterruptedException e) {  
  
}  
});  
}  
executor.close();  
System.out.println("max：" + list.get(0) + " platform thread/os thread");  
System.out.printf("totalMillis：%dms\n", System.currentTimeMillis() - start);  
}  
}  
  
// 保存平台线程的创建的最大总数  
public static List<Integer> saveMaxThreadNum(int num) {  
if (list.isEmpty()) {  
list.add(num);  
} else {  
Integer integer = list.get(0);  
if (num > integer) {  
list.add(0, num);  
}  
}  
return list;  
}

两个示例的运行结果：

千呼万唤始出来：Java终于发布了"协程"--虚拟线程!

通过运行结果可以发现：

使用虚拟线程执行 10w个任务总耗时为：129ms，最大创建了 18个平台线程；
使用线程池执行 10w个任务总耗时为：6103 ms，最大创建了 207个平台线程；
两者总耗时差50倍，最大创建的平台线程总数差 10倍，因此性能差可想而知；

核心源码解析

首先从 VirtualThread类开始，源码如下：

/**  
* A thread that is scheduled by the Java virtual machine rather than the operating system.  
*/  
final class VirtualThread extends BaseVirtualThread {  
  
/**  
* Creates a new {@code VirtualThread} to run the given task with the given  
* scheduler. If the given scheduler is {@code null} and the current thread  
* is a platform thread then the newly created virtual thread will use the  
* default scheduler. If given scheduler is {@code null} and the current  
* thread is a virtual thread then the current thread's scheduler is used.  
*  
* @param scheduler the scheduler or null  
* @param name thread name  
* @param characteristics characteristics  
* @param task the task to execute  
*/  
VirtualThread(Executor scheduler, String name, int characteristics, Runnable task) {  
super(name, characteristics, /*bound*/ false);  
Objects.requireNonNull(task);  
  
// choose scheduler if not specified  
if (scheduler == null) {  
Thread parent = Thread.currentThread();  
if (parent instanceof VirtualThread vparent) {  
scheduler = vparent.scheduler;  
} else {  
scheduler = DEFAULT_SCHEDULER;  
}  
}  
  
this.scheduler = scheduler;  
this.cont = new VThreadContinuation(this, task);  
this.runContinuation = this::runContinuation;  
}  
  
/**  
* 创建默认的调度器  
* Creates the default scheduler.  
*/  
@SuppressWarnings("removal")  
private static ForkJoinPool createDefaultScheduler() {  
ForkJoinWorkerThreadFactory factory = pool -> {  
PrivilegedAction<ForkJoinWorkerThread> pa = () -> new CarrierThread(pool);  
return AccessController.doPrivileged(pa);  
};  
PrivilegedAction<ForkJoinPool> pa = () -> {  
int parallelism, maxPoolSize, minRunnable;  
String parallelismValue = System.getProperty("jdk.virtualThreadScheduler.parallelism");  
String maxPoolSizeValue = System.getProperty("jdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize");  
String minRunnableValue = System.getProperty("jdk.virtualThreadScheduler.minRunnable");  
if (parallelismValue != null) {  
parallelism = Integer.parseInt(parallelismValue);  
} else {  
parallelism = Runtime.getRuntime().availableProcessors();  
}  
if (maxPoolSizeValue != null) {  
maxPoolSize = Integer.parseInt(maxPoolSizeValue);  
parallelism = Integer.min(parallelism, maxPoolSize);  
} else {  
maxPoolSize = Integer.max(parallelism, 256);  
}  
if (minRunnableValue != null) {  
minRunnable = Integer.parseInt(minRunnableValue);  
} else {  
minRunnable = Integer.max(parallelism / 2, 1);  
}  
Thread.UncaughtExceptionHandler handler = (t, e) -> { };  
boolean asyncMode = true; // FIFO  
return new ForkJoinPool(parallelism, factory, handler, asyncMode,  
0, maxPoolSize, minRunnable, pool -> true, 30, SECONDS);  
};  
return AccessController.doPrivileged(pa);  
}  
}

通过 VirtualThread类的源码可以总结出：

VirtualThread继承 BaseVirtualThread类，BaseVirtualThread类继承 Thread类；
虚拟线程是 JVM进行调度的，而不是操作系统；
VirtualThread类是一个终态类，因此该类无法被继承，无法被扩展；

VirtualThread类，只提供了一个构造器，接收 4个参数：

Executor scheduler：如果给定的调度器为空并且当前线程是平台线程，那么新创建的虚拟线程将使用默认调度程序（底层采用 ForkJoinPool），如果给定的调度器为空并且当前线程是虚拟线程，则使用当前线程的调度程序
String name：自定义线程名
int characteristics：线程特征值
Runnable task：需要执行的任务

然后我们看下 JDK中创建虚拟线程的源码：

public class Thread implements Runnable {  
/**  
* Creates a virtual thread to execute a task and schedules it to execute.  
This method is equivalent to: Thread.ofVirtual().start(task);  
Params: task – the object to run when the thread executes  
Returns: a new, and started, virtual thread  
Throws: UnsupportedOperationException – if preview features are not enabled  
Since: 19  
See Also: Inheritance when creating threads  
* @param task  
* @return  
*/  
@PreviewFeature(feature = PreviewFeature.Feature.VIRTUAL_THREADS)  
public static Thread startVirtualThread(Runnable task) {  
Objects.requireNonNull(task);  
// 判断是否开启虚拟线程功能  
PreviewFeatures.ensureEnabled();  
var thread = ThreadBuilders.newVirtualThread(null, null, 0, task);  
thread.start();  
return thread;  
}  
  
// 异常信息提醒 可以通过 --enable-preview 开启虚拟线程功能  
public static void ensureEnabled() {  
if (!isEnabled()) {  
throw new UnsupportedOperationException(  
"Preview Features not enabled, need to run with --enable-preview");  
}  
}  
}  
  
class ThreadBuilders {  
static Thread newVirtualThread(Executor scheduler,  
String name,  
int characteristics,  
Runnable task) {  
if (ContinuationSupport.isSupported()) {  
return new VirtualThread(scheduler, name, characteristics, task);  
} else {  
if (scheduler != null)  
throw new UnsupportedOperationException();  
return new BoundVirtualThread(name, characteristics, task);  
}  
}  
  
/**  
* Returns a builder for creating a virtual {@code Thread} or {@code ThreadFactory}  
* that creates virtual threads.  
*  
* @apiNote The following are examples using the builder:  
* {@snippet :  
* // Start a virtual thread to run a task.  
* Thread thread = Thread.ofVirtual().start(runnable);  
*  
* // A ThreadFactory that creates virtual threads  
* ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().factory();  
* }  
*  
* @return A builder for creating {@code Thread} or {@code ThreadFactory} objects.  
* @throws UnsupportedOperationException if preview features are not enabled  
* @since 19  
*/  
@PreviewFeature(feature = PreviewFeature.Feature.VIRTUAL_THREADS)  
public static Builder.OfVirtual ofVirtual() {  
PreviewFeatures.ensureEnabled();  
return new ThreadBuilders.VirtualThreadBuilder();  
}  
}

Thread.startVirtualThread()创建虚拟线程，会调用ThreadBuilders.newVirtualThread()，最终调用 new VirtualThread()构造器来创建虚拟线程。

从上文我们在介绍虚拟线程创建的 4种方式也可以看出，虚拟线程创建的入口在 Thread 或者 Executors 类中，和以前使用线程或者线程池的习惯保持一致。

final class VirtualThread extends BaseVirtualThread {  
/**  
* Mounts this virtual thread onto the current platform thread. On  
* return, the current thread is the virtual thread.  
*/  
@ChangesCurrentThread  
private void mount() {  
// sets the carrier thread  
Thread carrier = Thread.currentCarrierThread();  
setCarrierThread(carrier);  
  
// sync up carrier thread interrupt status if needed  
if (interrupted) {  
carrier.setInterrupt();  
} else if (carrier.isInterrupted()) {  
synchronized (interruptLock) {  
// need to recheck interrupt status  
if (!interrupted) {  
carrier.clearInterrupt();  
}  
}  
}  
  
// set Thread.currentThread() to return this virtual thread  
carrier.setCurrentThread(this);  
}  
  
  
/**  
* Unmounts this virtual thread from the carrier. On return, the  
* current thread is the current platform thread.  
*/  
@ChangesCurrentThread  
private void unmount() {  
// set Thread.currentThread() to return the platform thread  
Thread carrier = this.carrierThread;  
carrier.setCurrentThread(carrier);  
  
// break connection to carrier thread, synchronized with interrupt  
synchronized (interruptLock) {  
setCarrierThread(null);  
}  
carrier.clearInterrupt();  
}  
}

mount() 和 unmount() 是虚拟线程两个核心方法：

mount()，可以将此虚拟线程挂载到当前平台线程上，返回时，当前线程是虚拟线程；
unmount()，从载体线程卸载此虚拟线程，返回时，当前线程是平台线程

通过这两个方式可以看出虚拟线程是搭载在平台线程上运行，运行结束后，从平台线程上卸载。

虚拟线程的状态和转换

下表总结了虚拟线程中的所有线程状态以及状态之间转化的条件：

状态	转换条件
NEW -> STARTED	Thread.start
STARTED -> TERMINATED	failed to start
STARTED -> RUNNING	first run
RUNNING -> PARKING	Thread attempts to park
PARKING -> PARKED	cont.yield successful, thread is parked
PARKING -> PINNED	cont.yield failed, thread is pinned
PARKED -> RUNNABLE	unpark or interrupted
PINNED -> RUNNABLE	unpark or interrupted
RUNNABLE -> RUNNING	continue execution
RUNNING -> YIELDING	Thread.yield
YIELDING -> RUNNABLE	yield successful
YIELDING -> RUNNING	yield failed
RUNNING -> TERMINATED	done

3种线程的关系

VirtualThread，Platform Thread，OS Thread 三者的关系如下图：

千呼万唤始出来：Java终于发布了"协程"--虚拟线程!

说明：在现有的线程模型下，一个 Java线程相当于一个操作系统线程，多个虚拟线程需要挂载在一个平台线程（载体线程）上，每个平台线程和系统线程一一对应。因此，VirtualThread是属于 JVM级别的线程，由JVM调度，它是非常轻量级的资源，使用完后立即被销毁，因此就不需要像平台线程一样使用池化（线程池）。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，可以高效通过少数线程去调度大量虚拟线程，最大化提升线程的执行效率。

总结

Virtual Thread将会在性能上带来的巨大提高，不过，目前业界80~90%的代码还跑在 Java 8上，等 JDK 19投入实际生产环境，可能需要一个漫长的过程；
虚拟线程高度复用了现有的 Thread线程的功能，方便现有方式平滑迁移到虚拟线程；
虚拟线程是将 Thread作为载体线程，它并没有改变原来的线程模型；
虚拟线程是 JVM调度的，而不是操作系统调度；
使用虚拟线程可以显著提高程序吞吐量；
虚拟线程适合并发任务数量很高或者 IO密集型的场景，对于计算密集型任务还需通过过增加CPU核心解决，或者利用分布式计算资源来来解决；
虚拟线程目前只是一个预览功能，只能从源码和简单的测试来分析，并无真实生产环境的验证；

曾一段时间内，JDK一直致力于 Reactor响应式编程，试图从这条路子来提升 Java的性能，但是最终发现：响应式编程难理解，难调试，难使用，因此又把焦点转向了同步编程，为了改善性能，虚拟线程诞生了。或许虚拟线程很难在短时间内运用到实际生产中，但是通过官方的JDK版本发布，我们可以看到：尽管是 Oracle这样的科技型巨头也会走弯路，了解 JDK的动态，可以帮助我们更好的把握学习 Java的重心以及后面的发展趋势。

参考

Virtual Thread JEP

java-virtual-threads

转载自:https://juejin.cn/post/7258180488358084669