java虚拟线程VirtualThreads

一、介绍

2022年9月20号，JDK19引入了虚拟线程，此版本的虚拟线程功能为预览功能。 2023年9月19号jdk21发布，jdk21为LTS长期支持版本。此版本虚拟线程为正式稳定功能。 很多其他语言都支持类似于"虚拟线程"的技术，比如Go、Erlang他们称之为"协程"。不论是虚拟线程还是协程，他们都是轻量级线程其目的都是为了提高并发能力。

线程（Platform Thread）和虚拟线程（Virtual Thread）的区别

线程和底层操作系统的线程是一一对应的，每new Thread()都会在底层操作系统上创建一个线程，平台线程实例本质上是有系统内核的线程调度程序进行调度， 并且线程的总数量受系统线程的总数量限制。 平台线程有以下缺点：

• 资源有限导致系统线程总量有限，JVM创建的线程数量也会受此限制
• 平台线程的调度依赖系统的线程调度程序，当平台线程过度线程上下文的切换会消耗大量资源
• 每个创建一个平台线程都会开辟一块单独的栈控件，消耗内存

以上问题都限制了我们随意创建使用平台线程，为了解决上述问题我们在使用平台线程的时候一般会引入线程池、添加任务队列构建成"生产者消费者"模式，创建好的线程反复利用以此让平台线程适配多变的业务场景。 如果能够这样，我们需要异步操作、提高并发的时候直接new thread去执行，不需要考虑系统性能和消耗等问题那应该会非常便捷。

• 虚拟线程可以大量创建而不会占用大量内存
• 由JVM进行调度和切换，不会和系统线程进行绑定
• 用法和原来的线程差不多、兼容平台现有的api

二、虚拟线程的实现原理

virtual thread = continuation + scheduler

scheduler：

虚拟线程的载体线程，对应JVM的platform thread。如果不指定系统会创建默认的ForkJoinPool来运行。 系统默认的载体线程代码位置： java.lang.VirtualThread#VirtualThread

continuation：

会把需要运行的任务和当前的VirtualThread封装到Continuation中， 当虚拟线程需要阻塞的时候会调用Continuation.yield操作进行阻塞 将Continuation放到载体线程上运行： java.lang.VirtualThread#submitRunContinuation

jdk.internal.vm.Continuation 实现类被封装在 java.base包下，外部的代码不能直接使用。这里修改下idea的编译参数暴露对应的功能。 --add-exports java.base/jdk.internal.vm=ALL-UNNAMED

实验Continuation.yield功能

@Test
public void t3() {
    ContinuationScope scope = new ContinuationScope("scope");
    Continuation continuation = new Continuation(scope, () -> {
        System.out.println("在yield方法之前运行的代码逻辑");
        Continuation.yield(scope);
        System.out.println("在yield方法之后运行的代码逻辑");
    });
    System.out.println("业务代码调用continuation.run");
    continuation.run();
    System.out.println("已经调用完第一次continuation.run， 开始第二次调用continuation.run");
    continuation.run();
    System.out.println("执行完成");
}

Continuation底层的代码不深入阅读了。只需要记住 Continuation.yield 方法可以使程序代码中断，然后再次调用 Continuation.run 可以从上一次中断的位置继续执行，底层的能力好多是jdk native方法。

三、平台线程和虚拟线程内存占用情况

分别创建10W个平台线程和虚拟线程查看内存占用情况

/**
 * 虚拟线程和平台线程内存占用情况
 * 运行参数加上 -Xms1024m -Xmx1024m -XX:NativeMemoryTracking=detail
 * jcmd ${pid} VM.native_memory
 */
@Test
public void t5() {
    // 1千虚拟线程、平台线程
    for (long i = 0; i < 1000; i++) {
        // Thread.ofPlatform().start(() -> {
        Thread.ofVirtual().start(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
    }
    // 打印pid
    System.out.println(ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName());
    try {
        Thread.sleep(100000);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

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