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虚拟线程

虚拟线程（Virtual Threads）是 Java 21 中引入的一项革命性特性，它旨在从根本上改变我们处理高并发应用程序的方式。

简单来说，它们的优势和区别可以从一个比喻开始：

• 平台线程（普通线程）就像真正的工人。操作系统招募一个工人（创建线程），这个工人会亲自去完成一项任务（执行代码）。工人数量有限（一台机器最多几千个），而且招募和开除工人（创建和销毁线程）开销很大。
• 虚拟线程就像一份份任务清单。一个工人（平台线程）可以拿着许多份任务清单（虚拟线程）。当某份清单上的任务需要等待（比如等网络响应、等数据库查询），工人就把它暂时放到一边，拿起另一份清单继续工作。一个工人可以高效地处理成千上万份清单。

下面我们来详细对比它们的优势和区别。

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核心优势对比表

特性	平台线程（普通线程）	虚拟线程
本质	操作系统线程的包装器（1:1 映射）。是重量级的资源。	Java 运行时管理的轻量级用户态线程（M:N 映射）。
资源开销	大。每个线程都有自己的大栈（默认为1MB）、PC寄存器等。受操作系统限制。	极小。初始栈很小（约几百字节），按需扩容。
数量限制	有限（通常几千个）。受限于内存和操作系统配置。创建太多会耗尽内存或导致线程切换开销巨大。	海量（轻松数百万个）。只受限于堆内存大小，可以创建极其大量的虚拟线程。
创建与销毁	昂贵。创建和销毁成本高，通常需要池化（如使用 ExecutorService）来避免开销。	廉价。创建和销毁成本极低，通常不需要池化。可以为每个任务创建一个新的虚拟线程。
阻塞开销	极其昂贵。当一个平台线程阻塞（如等待I/O）时，这个宝贵的系统资源就被挂起，什么也不做，但依然占用着内存和CPU调度资源。	几乎为零。当虚拟线程阻塞时，它会自动从平台线程上卸载（yield），这个平台线程立即可以去执行其他就绪的虚拟线程。阻塞的操作完成后，虚拟线程再被调度到某个平台线程上继续执行。
调试与监控	传统工具（如线程转储、JProfiler）工作良好。	需要支持虚拟线程的工具（新版JDK工具已支持）。线程转储可以包含数百万个虚拟线程，但提供了新的格式（jcmd <pid> Thread.dump_to_file -format=json <file>）来管理。
适用场景	CPU密集型计算（充分利用多核）。	高并发I/O密集型任务（Web服务器、微服务、数据库调用、消息队列等）。这是虚拟线程的主场。

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虚拟线程的三大核心优势

1. 极高的并发规模与资源效率

   • 问题：在传统的“一个请求一个线程”的Web服务器模型中，线程数限制了并发连接数。1万个并发请求就需要1万个线程，这会给操作系统带来巨大压力。
   • 解决方案：使用虚拟线程，你可以用少量平台线程（如CPU核心数）来处理数百万个并发连接。每个连接都可以分配一个虚拟线程，当它们等待网络I/O时，会自动让出执行权，从而让宝贵的平台线程始终处于工作状态。

2. 简化的编程模型（告别回调地狱）

   • 问题：为了应对平台线程的瓶颈，开发人员采用了异步编程（如 CompletableFuture）或反应式编程（如 Project Reactor）。这些模式性能很好，但代码难以编写、调试和维护（俗称“回调地狱”）。
   • 解决方案：虚拟线程允许你用简单的同步、阻塞式的代码风格，写出高性能的异步应用程序。你不再需要学习复杂的异步API，只需像写最传统的代码一样，自然地使用 Thread.sleep()、synchronized、阻塞式I/O等，而底层由虚拟线程帮你高效地处理阻塞。

   代码对比示例：处理多个HTTP请求

   • 传统方式（使用平台线程池）：

     java

     // 线程池大小有限，大量请求会被排队或拒绝
     ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(200);
     for (String url : urls) {executor.submit(() -> {// 阻塞操作，占用一个宝贵的线程String result = HttpClient.newHttpClient().send(request, BodyHandlers.ofString());process(result);});
     }
     

   • 虚拟线程方式：

     java

     // 为每个任务创建一个虚拟线程，成本极低
     for (String url : urls) {Thread.ofVirtual().start(() -> {// 写法是同步阻塞的，但底层是非阻塞的！String result = HttpClient.newHttpClient().send(request, BodyHandlers.ofString());process(result);});
     }
     

     上面的代码看起来像是创建了成千上万个线程，但实际上只使用了少量平台线程，效率极高。

3. 与现有代码的完美兼容性

   • 虚拟线程是 Thread 类的实现。这意味着绝大多数现有的Java代码和库（如JDBC、HTTP客户端、同步代码块）无需任何修改就能在虚拟线程上运行并立即获益。这降低了 adoption 的成本。

需要注意的地方（并非银弹）

• 不适用于CPU密集型任务：如果你的任务是纯计算、持续占用CPU的，那么虚拟线程不会带来性能提升。此时，平台线程的数量仍然应该约等于CPU核心数，以最大化计算能力。虚拟线程的优势在于等待（I/O、锁、睡眠等）。
• 对原生代码和synchronized的考量：如果一个虚拟线程在synchronized块内或执行本地（JNI）代码时被阻塞，它所承载的平台线程也会被阻塞（这被称为“引脚”，pinning）。虽然新版JDK也在优化这一点，但大量使用 synchronized 可能会限制虚拟线程的可扩展性。建议优先使用 java.util.concurrent 包中的锁（如 ReentrantLock），它们在虚拟线程中能够正确地被卸载。

总结

方面	结论
核心优势	用同步的代码，获异步的性能。极大地提升了I/O密集型应用的并发能力、资源利用率和开发效率。
变革性	它让Java在高并发编程领域重新变得简单，有望取代许多复杂的异步编程模式，回归到直观的指令式编程。
使用建议	对于新的I/O密集型项目，强烈建议使用虚拟线程。对于现有项目，可以几乎无成本地尝试将其线程池替换为虚拟线程，以获得潜在的巨大性能提升。

可以将虚拟线程理解为Java为现代云原生和微服务架构提供的一项“基础设施”，它让开发者不再需要为了性能而牺牲代码的可读性和可维护性。