Java 21 虚拟线程详解

Java 21 引入了虚拟线程这一重磅特性——长期以来开发者们一直期待的“Java 协程”。在高并发和 I/O 密集型应用中，虚拟线程不仅大幅降低内存占用，还能实现高效的上下文切换，从而显著提升系统性能和吞吐量。

1. 什么是虚拟线程

虚拟线程是 JDK 21 推出的一种轻量级线程，其核心优势在于：

• 内存占用低：无需为每个虚拟线程分配一个独立的操作系统线程，降低了系统资源消耗。
• 高效上下文切换：由 JVM 内部调度管理，不涉及昂贵的 OS 级别线程切换，能更好地应对高并发场景。

简而言之，虚拟线程可看作是“任务（Task）”，它们运行在传统的操作系统线程之上，但在代码层面与常规线程使用方式完全一致。

2. 虚拟线程的工作原理

当应用程序启动一个虚拟线程时，JVM 会将其交由底层的线程池（由传统线程构成）执行。其核心工作机制包括：

• 任务调度：一个传统线程可以轮流执行多个虚拟线程。举例来说，假设系统创建了 1000 个虚拟线程，而底层线程池只有 10 个传统线程，那么：

  • 初始时，V1 到 V10 分别调度到 T1 到 T10 上执行。
  • 当虚拟线程（例如 V3）因 I/O 操作而阻塞时，T3 立即释放出来去执行等待中的虚拟线程（如 V11）。
  • 如果所有虚拟线程均处于非阻塞状态，JVM 会按照时间片（例如每 100ns）轮转调度，将部分虚拟线程挂起以让新任务得以执行。
  • 如果以上条件均不满足，新任务将挂起等待空闲传统线程。

• 阻塞处理：当虚拟线程遇到阻塞（如 I/O 操作）时，JVM 会立刻挂起该虚拟线程，并通过操作系统事件（如 epoll）通知 I/O 完成，从而在合适时机重新唤醒该虚拟线程。

这套机制确保了即使在大量 I/O 阻塞场景下，系统也不会因为传统线程资源不足而性能急剧下降。

3. 虚拟线程的调度

• 自动调度：JDK 21 默认启用虚拟线程，且调度由 JVM 管理。默认情况下，JVM 会利用 ForkJoinPool 来执行虚拟线程，并根据实际任务数动态调整底层线程数。
• 自定义调度：虽然大部分场景下无需手动干预，但若有特殊需求（例如控制并发量、定制线程池参数等），可自定义线程池并将虚拟线程交给该线程池执行。

4. 虚拟线程与传统线程的区别

两者的主要差异包括：

• 线程创建方式

  • 虚拟线程：不直接创建操作系统线程，运行时由传统线程池调度。
  • 传统线程：每创建一个线程，JVM 都会启动一个独立的操作系统线程。

• 资源消耗

  • 虚拟线程：内存开销极小，可轻松创建百万级虚拟线程。
  • 传统线程：资源开销较大，一般只能支持几千个线程。

• 上下文切换

  • 虚拟线程：上下文切换由 JVM 管理，开销低。
  • 传统线程：依赖 OS 级调度，切换开销较高。

• 调度与执行

  • 虚拟线程：任务调度完全由 JVM 控制，遇到阻塞时只挂起任务，不会占用底层线程。
  • 传统线程：阻塞操作会直接占用线程，影响线程池整体吞吐。

5. 虚拟线程与协程的对比

虽然虚拟线程与 Python 等语言中的协程在处理 I/O 阻塞时有相似的“让步”机制，但二者存在显著区别：

6. 如何使用虚拟线程

在 JDK 21 中，使用虚拟线程主要有两种方式：

6.1 直接创建并启动虚拟线程

public class VirtualThreadExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
   
            System.out.println("Hello virtual thread");
        });
        try {
   
            virtualThread.join(); // 等待虚拟线程完成
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

6.2 通过线程池执行虚拟线程

import java.util.concurrent.*;

public class VirtualThreadPoolExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        // 创建一个虚拟线程池
        ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        // 提交多个任务到线程池
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
            final int taskId = i;
            executor.submit(() -> {
   
                System.out.println("Task " + taskId + " running in " + Thread.currentThread());
            });
        }
        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

注意：虚拟线程池不支持设置核心线程数、最大线程数或任务队列等参数。如果需要对并发量进行严格控制，可以自定义线程池。

7. 自定义虚拟线程池示例

为了避免因无限制并发导致 OOM 或对下游系统产生巨大压力，可借助信号量（Semaphore）和阻塞队列实现自定义虚拟线程池。下面是一个示例：

package com.zengbiaobiao.demo.vitrualthreaddemo;

import java