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JDK21之虚拟线程

ai 2025/5/10 11:18:58

传统线程的三个痛点：

重量级：每创建一个线程，操作系统都要分配栈内存、维护线程状态，成本高得很。
切换成本高：线程一多，CPU得频繁在线程之间切换（上下文切换），性能开销大。
受限于平台资源：比如 Linux 上默认线程栈大小是 1MB，意味着一个 8GB 内存的服务理论上最多跑 8000 个线程。

定义

虚拟线程是JVM层面实现的一种轻量级线程，不再直接依赖操作系统线程，而是由JVM自己调度和管理。

工作原理

虚拟线程通过将多个虚拟线程映射到少量的操作系统线程来工作。这种映射是动态的，JVM 可以在合适的时候将虚拟线程挂起或恢复，从而在物理线程之间共享资源。因此，虚拟线程的调度方式比传统的线程调度更加灵活和高效。

适用场景

虚拟线程适用于高并发的 I/O 密集型任务，例如：

I/O 密集型任务 ：线程在等待 I/O（如网络请求、数据库查询）时自动挂起，载体线程可执行其他任务。
高并发场景 ：处理大量并发连接（如微服务、Web 服务器）。

虚拟线程适用于 I/O 密集型任务的原因

用户态线程 ：由 JVM 管理，不直接绑定内核线程，可创建数百万个虚拟线程。
低资源消耗 ：初始栈内存约 200B，挂起时自动释放载体线程（Carrier Thread）。

虚拟线程不适用于CPU密集型任务的原因

CPU密集型任务会持续暂用CPU，如果线程过多频繁线程切换会增加额外开销，导致整体吞吐量下降。

创建虚拟线程

方式 1：直接创建

// 创建并启动虚拟线程
Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {System.out.println("Running in a virtual thread: " + Thread.currentThread());
});// 等待线程完成
virtualThread.join();

方式 2：使用 Thread.Builder

Thread.Builder builder = Thread.ofVirtual().name("my-virtual-thread-", 0);
Thread vThread = builder.start(() -> {System.out.println("Thread name: " + Thread.currentThread().getName());
});

方式 3：通过线程池（推荐）

try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {for(int i = 0; i < 100; i++){// 提交任务（自动创建虚拟线程）executor.submit(() -> {System.out.println("Task running in virtual thread");});}} // 自动关闭线程池/**
* 虚拟线程在等待 I/O（如数据库、HTTP 请求）时自动挂起 ，释放底层平台线程，避免阻塞
*/
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {for (int i = 0; i < 10_000; i++) {executor.submit(() -> {// 模拟 I/O 操作（自动挂起虚拟线程）String response = httpClient.send(request, BodyHandlers.ofString());process(response);});}
}

传统线程池（平台线程）适用于 CPU 密集型任务的原因

内核线程绑定 ：每个平台线程对应一个操作系统线程（Kernel Thread），由 OS 调度。
资源消耗高 ：每个线程默认占用约 1MB 栈内存，大量线程导致内存压力和上下文切换开销。
适用场景 ：
- CPU 密集型任务 ：线程数通常设置为接近 CPU 核心数（Runtime.getRuntime().availableProcessors()），最大化利用 CPU 资源。
- 同步阻塞操作 ：若线程在 I/O 或锁等待时阻塞，会导致线程资源浪费。

传统线程池的优化策略

固定线程数 ：通过 Executors.newFixedThreadPool(nThreads) 限制线程数，避免过多线程导致资源耗尽。
任务队列缓冲 ：使用有界/无界队列（如 LinkedBlockingQueue）暂存任务，但队列过长可能引发高延迟或 OOM。

能否用虚拟线程替代传统线程池？

1. 可替代的场景

纯异步 I/O 任务 ：如 HTTP 服务、数据库访问、消息队列消费等，虚拟线程显著提升吞吐量。
高并发低延迟需求 ：虚拟线程通过减少线程切换和内存开销，更适合处理大量短暂任务。

2. 不可替代或需谨慎的场景

CPU 密集型任务 ：
虚拟线程的载体线程数有限（默认等于 CPU 核心数），若虚拟线程执行 CPU 密集型操作，会阻塞载体线程，导致整体吞吐量下降。
同步代码块或 Native 方法 ：
- 若虚拟线程进入 synchronized 块或调用 JNI 方法，会固定绑定到载体线程，丧失调度灵活性。
- 需改用 ReentrantLock 并配合 tryLock() 实现非阻塞同步。
依赖 ThreadLocal 的代码 ：
虚拟线程支持 ThreadLocal，但大量使用可能导致内存泄漏（因虚拟线程生命周期短且数量多）。建议改用 Scoped Values（JDK 20+）。