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wzjs 2025/9/11 16:25:45
包头住房和城乡建设厅网站,可以看的网站的浏览器有哪些,网站备案成功然后怎么做,制作一个网站能多少钱Java 虚拟线程是 Java 19 中引入的一项重要特性，并在 Java 21 中正式成为标准功能。它是 Java 平台对轻量级线程的实现，旨在简化高并发应用的开发，提升系统资源利用率。传统线程的局限性在虚拟线程出现之前，Java 依赖操作系统线程…

Java 虚拟线程是 Java 19 中引入的一项重要特性，并在 Java 21 中正式成为标准功能。它是 Java 平台对轻量级线程的实现，旨在简化高并发应用的开发，提升系统资源利用率。

传统线程的局限性

在虚拟线程出现之前，Java 依赖操作系统线程（OS Threads）实现并发，这些线程被称为平台线程（Platform Threads）。每个平台线程对应一个操作系统线程，具有以下特点：
  • 重量级：创建和销毁成本高，内存占用大（通常 1MB + 栈空间）。
  • 数量受限：系统资源限制了可创建的线程数量（如数千到数万级别）。
  • 阻塞代价高：线程阻塞时会占用系统资源，导致上下文切换开销。
这使得传统多线程应用在处理大量并发连接（如 Web 服务器）时面临性能瓶颈。

虚拟线程的优势

虚拟线程是由 Java 运行时（JVM）管理的轻量级线程，具有以下特性：

1.轻量级

        每个虚拟线程占用内存极小（约 KB 级别）。

        创建和销毁成本低，可轻松创建百万级虚拟线程。

2.高效利用资源

        虚拟线程由 JVM 调度，与操作系统线程解耦。

        当虚拟线程阻塞时，JVM 会自动切换到其他任务，避免资源浪费。

3.同步代码简化异步编程

        虚拟线程允许使用传统的synchronized、wait/notify等同步机制，无需编写复杂的异步回调代码。

虚拟线程核心概念

1.载体线程

虚拟线程运行在平台线程（称为载体线程）上，但多个虚拟线程可复用同一个载体线程。

载体线程由 JVM 的调度器管理，类似于操作系统调度进程。

2.协程（对应源码中Continuation类）

虚拟线程本质上是 Java 对协程的一种实现的官方支持，属于用户态线程。

什么是协程(补充)：        

        协程（Coroutine） 是一种轻量级的线程管理机制，属于用户态线程（而非操作系统内核管理的线程）。它允许程序在不使用传统多线程的情况下实现并发执行

  • 核心概念：

(1)协作式调度

协程与传统线程的最大区别在于调度方式：
传统线程：由操作系统内核调度，线程的挂起和恢复完全由系统控制（抢占式调度）。
协程：由程序自身控制执行流程，通过主动让出执行权（yield）来实现协作式调度。

(2)轻量级

协程的创建和销毁成本极低，内存占用通常只有 KB 级别（相比之下，传统线程的栈内存默认 1MB+）。因此，一个程序可以轻松创建数百万个协程。

(3)状态保存

协程能在暂停执行时保存自身状态（如局部变量、程序计数器），并在恢复时继续执行，就像从未中断过一样。
3.结构化并发
协程能在暂停执行时保存自身状态（如局部变量、程序计数器），并在恢复时继续执行，就像从未中断过一样。

从源码角度讲解虚拟线程的原理

1.虚拟线程的创建过程：

public final class VirtualThread extends Thread {private final Continuation cont;  // 协程上下文private final Executor scheduler; // 任务调度器public VirtualThread(Runnable target) {super(null, null, "VirtualThread", 0, false, null);// 创建Continuation实例，传入执行逻辑this.cont = new Continuation(VM_VTHREAD_CONTINUATION_STACK, target);this.scheduler = VirtualThread.captureScheduler();}@Overridepublic void start() {if (getState() != Thread.State.NEW)throw new IllegalThreadStateException();// 将虚拟线程提交给调度器scheduler.execute(this::runContinuation);}private void runContinuation() {// 执行Continuation（协程）cont.run();}
}
关键点：
  • Continuation是虚拟线程的核心，它封装了线程的执行上下文（如局部变量、程序计数器）。
  • start()方法不会立即执行线程，而是将其放入调度器的任务队列。
2.Continuation 机制详解
Continuation是 JVM 提供的底层协程实现
// jdk.internal.vm.Continuation简化
public final class Continuation {private final Object stack;     // 协程栈数据private final Runnable task;    // 待执行的任务private ContinuationScope scope; // 协程作用域public Continuation(ContinuationScope scope, Runnable target) {this.scope = scope;this.task = target;this.stack = allocateStack(); // 分配协程栈（小而动态）}public void run() {if (status == INITIAL) {// 首次执行，进入JVM层的协程执行逻辑VM.continuationStart(this);} else if (status == SUSPENDED) {// 恢复执行VM.continuationResume(this);}}// 暂停当前协程的执行public static void yield() {VM.continuationYield(currentContinuation());}
}
JVM 层面的关键机制：
  • VM.continuationStart()：启动协程执行，保存初始上下文。
  • VM.continuationResume()：恢复协程执行，从上次暂停处继续。
  • VM.continuationYield()：暂停协程执行，保存当前上下文并释放载体线程。
3. 调度器与载体线程
虚拟线程的调度由ForkJoinPool实现，核心逻辑如下：
// ForkJoinPool虚拟线程调度器的简化逻辑
class ForkJoinPool implements ExecutorService {// 工作线程数组（载体线程）private final ForkJoinWorkerThread[] workers;// 提交虚拟线程任务public void execute(Runnable task) {if (task instanceof VirtualThread) {VirtualThread vt = (VirtualThread) task;// 将任务放入工作队列WorkQueue queue = getWorkerQueue();queue.push(vt);// 唤醒或创建载体线程执行任务signalWork();}}// 载体线程执行逻辑final void runWorker(WorkQueue w) {while (scan(w)) { // 扫描任务Runnable task = w.pop();if (task instanceof VirtualThread) {VirtualThread vt = (VirtualThread) task;// 执行虚拟线程的Continuationvt.runContinuation();}}}
}
调度关键点：
  • Work-Stealing 算法：每个载体线程维护自己的任务队列，空闲时从其他队列 "窃取" 任务。
  • 载体线程池：默认大小为 CPU 核心数，可通过jdk.virtualThreadScheduler.parallelism参数调整。
  • 弹性伸缩：调度器会根据负载动态调整活跃载体线程数量。
4. 阻塞操作的处理
当虚拟线程遇到阻塞操作（如 IO）时，JDK 会通过 Instrumentation 机制自动转换为非阻塞逻辑
步骤：
  1. 检测当前线程是否为虚拟线程。
  2. 将阻塞操作转换为非阻塞调用（如使用 NIO Selector）。
  3. 在 IO 等待期间，通过Continuation.yield()暂停虚拟线程。
  4. IO 完成后，调度器恢复虚拟线程执行。

从源码角度对传统线程与虚拟线程进行对比分析

1. 线程创建与资源占用
平台线程（Thread类）Java 平台线程直接映射到操作系统线程，由java.lang.Thread类实现。
核心源码结构
// java.lang.Thread类简化结构
public class Thread implements Runnable {private long nativePeer; // 指向JVM中对应的原生线程// 线程栈大小（默认由JVM决定，通常为1MB+）private long stackSize;public Thread(Runnable target) {init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);}private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize) {// ...this.stackSize = stackSize;// 调用JVM底层创建原生线程start0();}private native void start0(); // 调用操作系统创建线程
}
关键点：
  • nativePeer字段指向 JVM 内部的原生线程结构。
  • 每个线程默认占用较大的栈空间（如 1MB），创建成本高。
  • start0()是本地方法，依赖操作系统创建线程，开销大。
虚拟线程（VirtualThread类）虚拟线程由java.lang.VirtualThread实现，是 Java 21 + 的内置类：
// java.lang.VirtualThread类简化结构
public final class VirtualThread extends Thread {private final Continuation cont; // 协程实现的核心public VirtualThread(ThreadGroup group, Runnable target) {super(group, null, "VirtualThread", 0, false, null);// 创建协程上下文this.cont = new Continuation(VM_VTHREAD_CONTINUATION_STACK, target);}@Overridepublic void start() {// 将虚拟线程提交给调度器scheduler.submit(this);}
}
关键点：
  • Continuation是 JVM 内部的协程实现，负责保存和恢复线程状态。
  • 虚拟线程栈内存由 JVM 管理（通常 KB 级别），创建成本极低。
  • start()方法仅将任务提交给调度器，不直接创建操作系统线程。
2. 调度机制对比
平台线程调度
平台线程的调度完全依赖操作系统：
  • 线程状态（RUNNABLE、BLOCKED 等）由操作系统内核管理。
  • 线程阻塞时（如 IO 操作），会触发上下文切换（从用户态到内核态），成本高（约 1μs~10μs）。
虚拟线程调度
虚拟线程由 JVM 用户态调度器管理：
// 虚拟线程调度器简化逻辑
class VirtualThreadScheduler {private final ExecutorService carrierThreads; // 载体线程池public void submit(VirtualThread vt) {// 将虚拟线程放入任务队列taskQueue.add(vt);// 唤醒载体线程执行任务carrierThreads.submit(() -> runTask(vt));}private void runTask(VirtualThread vt) {// 恢复虚拟线程上下文vt.cont.run();}
}
关键点：
  • 虚拟线程阻塞时（如 IO），JVM 通过Continuation.yield()暂停执行，释放载体线程资源。
  • 载体线程可继续执行其他虚拟线程，实现多路复用，大幅提升吞吐量。
  • 调度器使用 Work-Stealing 算法优化任务分配。
3. 阻塞操作处理
平台线程的阻塞
平台线程执行阻塞操作时：
// 传统线程执行IO操作（阻塞示例）
public void readFile() throws IOException {try (var reader = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"))) {String line;while ((line = reader.readLine()) != null) { // 阻塞调用// 处理数据}}
}
  • 线程会被挂起，等待 IO 完成，期间占用系统资源。
虚拟线程的阻塞
虚拟线程执行相同操作时：
// 虚拟线程执行IO操作
public void readFile() throws IOException {try (var reader = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"))) {String line;while ((line = reader.readLine()) != null) { // 虚拟线程在此处"暂停"// 处理数据}} // 虚拟线程恢复执行
}
  • JVM 会将虚拟线程标记为阻塞，暂停执行并释放载体线程。
  • IO 完成后，虚拟线程会在任意可用的载体线程上恢复执行。
4. 适用场景对比

场景

平台线程

虚拟线程

IO 密集型高并发

需要复杂的异步编程

直接使用同步代码即可

CPU 密集型任务

合适（避免频繁切换）

不合适（调度开销可能更高）

资源受限环境

需谨慎控制线程数

可大量创建，自动优化资源

代码迁移成本

需重构为异步（如 CompletableFuture）

直接替换线程池即可

优劣分析
平台线程的优势
  1. 适合 CPU 密集型任务：避免频繁调度开销。
  2. 实时性强：由操作系统内核直接调度，响应速度快。
  3. 兼容性好：支持所有 Java 版本，无需特殊 API。
平台线程的劣势
  1. 资源消耗大：高并发时内存占用显著。
  2. 扩展性差：受限于操作系统线程数量上限。
  3. 编程模型复杂：处理大量并发需使用异步编程（如 Netty）。
虚拟线程的优势
  1. 高扩展性：轻松支持百万级并发连接。
  2. 简化编程：使用同步代码实现异步性能。
  3. 资源高效：内存占用低，上下文切换快。
  4. 无缝兼容：与现有线程 API（如ExecutorService）兼容。
虚拟线程的劣势
  1. JDK 版本依赖：仅 Java 21 + 支持。
  2. 调试复杂度：虚拟线程堆栈信息可能更复杂。
  3. CPU 密集型优化不足：长时间运行的任务可能导致调度器过载。

虚拟线程适用场景

  • 高并发服务器：如 Web 服务器和应用服务器，处理大量并发请求时性能卓越。
  • 微服务架构：使服务更轻量级、敏捷，提升服务间通信效率。
  • 并行计算：在数据处理和分析场景中，提供必要并行处理能力，提升计算效率。
  • 异步 I/O 操作：涉及文件或网络 I/O 的应用程序中，可提高异步操作性能。

总结

虚拟线程的高性能源于以下设计：

1.轻量级上下文切换

虚拟线程切换仅涉及用户态数据（Continuation 对象），无需内核参与。

2.栈内存优化

虚拟线程使用动态增长的小栈（通常 KB 级别），而不是固定的大栈。

3.无锁设计

调度器使用 CAS 操作和无锁队列减少竞争。

4.任务窃取

Work-Stealing 算法确保负载均衡，减少线程空闲时间。

虚拟线程本质上是：
  • 用户态线程：由 JVM 而非操作系统管理。
  • 协作式调度：通过Continuation.yield()主动让出执行权。
  • 轻量级协程：每个线程占用极小资源，支持百万级并发。
Java 虚拟线程通过轻量级设计和高效调度，显著降低了并发编程的资源成本，使开发者可以用同步代码编写高性能异步应用。它是 Java 平台应对现代高并发场景的重要改进，尤其适合 IO 密集型的大规模并发应用。

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