【Java硬核知识：新特性落地实战】虚拟线程（Loom）颠覆传统：万级并发连接测试

摘要：本文聚焦于Java新特性虚拟线程（Loom），深入探讨其在万级并发连接场景下对传统并发编程模式的颠覆。详细对比线程池与虚拟线程的资源消耗，阐述同步代码异步化的改造策略，同时介绍使用Pin防止线程本地变量逃逸的方法。通过丰富的实操流程和完整代码示例，帮助开发者理解并掌握虚拟线程在实际项目中的应用，提升并发编程的效率和性能。

【Java硬核知识：新特性落地实战】虚拟线程（Loom）颠覆传统：万级并发连接测试

关键词

Java；虚拟线程（Loom）；并发连接；线程池；同步代码异步化；线程本地变量逃逸

一、引言

在当今的软件开发领域，高并发场景无处不在，如电商系统的秒杀活动、金融交易系统的实时处理等。传统的Java线程模型在处理大量并发连接时，面临着资源消耗大、性能瓶颈等问题。为了解决这些问题，Java引入了虚拟线程（Loom）这一重要特性。

虚拟线程是Java 19中引入的预览特性，旨在提供一种轻量级、高效的并发编程模型。与传统的操作系统线程相比，虚拟线程具有更低的资源消耗和更高的并发处理能力，能够显著提升系统的性能和可扩展性。

本文将围绕虚拟线程展开，详细介绍其在万级并发连接测试中的应用，对比线程池与虚拟线程的资源消耗，探讨同步代码异步化的改造策略，并介绍如何使用Pin防止线程本地变量逃逸。

二、虚拟线程（Loom）概述

2.1 虚拟线程的概念

虚拟线程是由Java运行时管理的轻量级线程，它与操作系统线程不同。操作系统线程是由操作系统内核管理的，创建和销毁线程的开销较大，且每个线程都需要占用一定的内存资源。而虚拟线程是在Java虚拟机层面实现的，它可以在少量的操作系统线程上复用，从而大大减少了资源消耗。

虚拟线程的创建和销毁成本极低，可以快速地创建和销毁大量的虚拟线程，以应对高并发场景。同时，虚拟线程的调度是由Java虚拟机负责的，它可以根据任务的执行情况动态地调整线程的分配，提高系统的性能。

2.2 虚拟线程的优势

• 资源消耗低：虚拟线程占用的内存资源远小于操作系统线程，一个Java虚拟机可以创建数百万个虚拟线程，而不会出现内存不足的问题。
• 高并发处理能力：由于虚拟线程的创建和销毁成本低，系统可以快速地响应大量的并发请求，提高系统的并发处理能力。
• 简化编程模型：虚拟线程的使用方式与传统线程类似，开发者可以使用熟悉的编程模型来编写并发代码，降低了学习成本。

2.3 虚拟线程的使用场景

• I/O密集型应用：如网络服务器、数据库连接池等，这些应用通常需要处理大量的I/O操作，使用虚拟线程可以提高I/O操作的并发处理能力。
• 微服务架构：在微服务架构中，每个服务都需要处理大量的请求，使用虚拟线程可以提高服务的性能和可扩展性。

三、对比线程池与虚拟线程的资源消耗

3.1 线程池的原理和特点

线程池是一种常见的并发编程模型，它通过预先创建一定数量的线程，将任务分配给这些线程来执行，从而避免了频繁创建和销毁线程的开销。线程池的核心参数包括核心线程数、最大线程数、线程空闲时间等。

线程池的优点是可以控制线程的数量，避免资源过度消耗。但在处理大量并发请求时，线程池可能会出现线程不足的情况，导致任务排队等待执行，影响系统的性能。

3.2 虚拟线程的资源消耗分析

虚拟线程的资源消耗主要包括内存消耗和CPU消耗。由于虚拟线程是轻量级的，它占用的内存资源远小于操作系统线程。在CPU消耗方面，虚拟线程的调度是由Java虚拟机负责的，它可以根据任务的执行情况动态地调整线程的分配，避免了CPU资源的浪费。

3.3 资源消耗对比实验

为了对比线程池与虚拟线程的资源消耗，我们进行了一个万级并发连接测试。以下是实验的具体步骤和代码示例：

3.3.1 实验环境

• 操作系统：Windows 10
• Java版本：Java 19
• 硬件配置：Intel Core i7-10700K CPU @ 3.80GHz，16GB内存

3.3.2 实验代码

使用线程池处理并发连接

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        int concurrency = 10000;
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);

        for (int i = 0; i < concurrency; i++) {
   
            executorService.submit(() -> {
   
                try {
   
                    // 模拟处理请求
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
   
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }

        executorService.shutdown();
    }
}

使用虚拟线程处理并发连接

import java.util.concurrent.Executors;

public class VirtualThreadExample {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        int concurrency = 10000;

        try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
   
            for (int i = 0; i < concurrency; i++) {
   
                executor.submit(() -> {
   
                    try {
   
                        // 模拟处理请求
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
   
                        e.printStackTrace();
                    }
                });
            }
        }
    }
}

3.3.3 实验结果分析

通过运行上述代码，我们可以观察到线程池和虚拟线程在资源消耗方面的差异。在使用线程池时，由于线程池的线程数量有限，当并发请求数量超过线程池的最大线程数时，任务会排队等待执行，导致系统的响应时间变长。而使用虚拟线程时，系统可以快速地创建和销毁大量的虚拟线程，以应对高并发请求，系统的响应时间明显缩短。

同时，我们可以使用Java VisualVM等工具来监控系统的内存和CPU使用情况。实验结果表明，在处理万级并发连接时，虚拟线程的内存消耗和CPU消耗都远低于线程池。

四、同步代码异步化的改造策略

4.1 同步代码的问题

在传统的Java编程中，同步代码通常是阻塞式的，即当一个线程执行同步代码时，其他线程需要等待该线程执行完毕才能继续执行。在高并发场景下，这种阻塞式的编程方式会导致线程的利用率低下，系统的性能受到影响。

4.2 异步编程的优势

异步编程是一种非阻塞式的编程方式，它允许线程在执行耗时操作时，不会阻塞其他线程的执行。在异步编程中，线程可以将耗时操作交给其他线程或任务去执行，自己可以继续执行其他任务，从而提高线程的利用率和系统的性能。

4.3 同步代码异步化的改造方法

4.3.1 使用CompletableFuture

CompletableFuture是Java 8引入的一个异步编程工具，它可以方便地实现异步任务的编排和组合。以下是一个将同步代码改造为异步代码的示例：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

public class CompletableFutureExample {
   
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
   
        // 同步方法
        CompletableFuture<String> future