告别异步复杂性？JDK 21 虚拟线程让高并发编程重回简单

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于 2025-05-06 21:23:06 发布

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文章标签： java python 测试工具

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长期以来，Java 的并发编程主要围绕平台线程（Platform Threads）构建。然而，在现代应用对海量并发的巨大需求面前，传统模型面临着可伸缩性的挑战。JDK 21 引入了一项突破性的特性——虚拟线程（Virtual Threads，由 Project Loom 项目开发），从根本上改变了 Java 应用处理并发的方式。让我们使用 5W1H 框架来探索这一特性。

1. What (什么是虚拟线程?)

• What? 虚拟线程是由 Java 虚拟机（JVM）而非底层操作系统（OS）管理的轻量级线程。与通常与 OS 线程 1:1 对应的传统平台线程不同，成千上万甚至数百万个虚拟线程可以运行在少量平台线程（称为“载体线程”，Carrier Threads）之上。相比平台线程，它们拥有更小的内存占用和显著降低的任务切换开销。可以将其视为完全在 JVM 内部管理的用户模式线程。

2. Why (为什么引入虚拟线程?)

• Why? 主要动机是为了克服传统“线程-每-请求”模型的可伸缩性限制。平台线程是重量级资源。创建过多平台线程会耗尽内存，并导致操作系统施加的高昂上下文切换成本，从而限制应用程序的吞吐量，尤其是在 I/O 密集型任务（线程大部分时间在等待网络、磁盘或数据库操作）中。引入虚拟线程是为了让应用程序能够高效处理极大数量的并发任务，同时避免强迫开发者采用复杂的异步编程模型（如响应式流或 CompletableFuture 链），从而保持更简单、更熟悉的同步阻塞式编程风格。其目标是实现高吞吐量和高开发者生产力。

3. When (虚拟线程何时可用?)

• When? 虚拟线程在 Java Development Kit (JDK) 21 中最终确定并成为标准的、生产就绪的特性，该版本于 2023 年 9 月发布 (JEP 444)。在此之前，它们作为孵化器或预览特性存在于早期的 JDK 版本中（如 JDK 19 和 20），隶属于 Project Loom 项目，允许开发者在最终版本确定前进行实验并提供反馈。

4. Where (虚拟线程用在哪里? 它们在哪里运行?)

• Where (使用场景)? 它们主要用于需要处理大量并发客户端请求或任务的服务器端应用程序，特别是那些涉及频繁 I/O 操作的场景。这包括 Web 服务器、微服务、应用服务器、API 网关、消息队列消费者以及类似的系统。
• Where (运行环境)? 虚拟线程完全在 JVM 内部运行。它们由 JVM 调度到一组载体平台线程（默认为 ForkJoinPool）上执行。它们不像平台线程那样直接在操作系统的调度器上运行。当虚拟线程在 I/O 操作上阻塞时，JVM 会自动将其从其载体线程上“卸载”（unmount），释放该载体线程去运行其他就绪的虚拟线程。

5. Who (谁受益? 谁创建了虚拟线程?)

• Who (受益者)?
- • Java 开发者: 能够使用简单、熟悉的阻塞式代码编写高度可伸缩的并发应用程序。
- • 组织机构: 可以用更少的硬件资源实现更高的应用程序吞吐量和更好的资源利用率（CPU、内存），可能降低运营成本。
- • 整个 Java 生态系统: 使 Java 在构建现代、云原生、高并发应用方面保持相关性并具有高度竞争力。
• Who (创建者)? 虚拟线程是由 Oracle 的 Java 平台团队 开发的，是被称为 Project Loom 的多年努力的一部分。Java 团队中的特定工程师主导了这项重大的开发工作。

6. How (虚拟线程如何工作? 如何使用它们?)

• How (工作机制)? 当在虚拟线程中运行的代码遇到阻塞操作（如网络 I/O）时，JVM 会介入。JVM 不会阻塞底层的载体平台线程（以及对应的 OS 线程），而是挂起该虚拟线程并将其从载体上**“卸载”（unmount）**。载体线程立即可以自由地拾取（挂载/mount）并执行另一个就绪的虚拟线程。一旦阻塞操作完成（例如，数据从网络到达），原始虚拟线程再次变为可运行状态，并等待 JVM 调度器将其挂载到某个可用的载体线程上以恢复执行。这种高效的切换使得阻塞变得廉价。
• How (使用 - API)? JDK 21 提供了几种创建和使用虚拟线程的方法：
- • Thread.startVirtualThread(Runnable task): 一个简单的静态方法，用于立即创建并启动一个虚拟线程。
- • Thread.ofVirtual(): 返回一个 Thread.Builder，用于配置和创建虚拟线程（例如，设置名称）。
- • Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor(): 管理多个任务时推荐使用的方法。这个工厂方法返回一个 ExecutorService，它为每个提交的任务创建一个新的虚拟线程，避免了线程池化的需要（通常不鼓励对虚拟线程进行池化，因为它们创建成本极低）。

示例代码

以下示例展示了如何在 JDK 21 中使用虚拟线程：

示例 1: 使用 Thread.startVirtualThread

import java.time.Duration;

publicclassSimpleVirtualThread {
    publicstaticvoidmain(String[] args)throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程: " + Thread.currentThread());

        // 创建并启动一个虚拟线程
        Threadvt= Thread.startVirtualThread(() -> {
            System.out.println("在虚拟线程内部: " + Thread.currentThread());
            try {
                // 模拟一些工作或阻塞 I/O
                Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            System.out.println("虚拟线程结束。");
        });

        System.out.println("虚拟线程已启动: " + vt);

        // 等待虚拟线程结束 (可选)
        vt.join();
        System.out.println("主线程结束。");
    }
}

示例 2: 使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor (推荐方式)

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.stream.IntStream;
import java.time.Duration;

publicclassExecutorVirtualThreads {
    publicstaticvoidmain(String[] args) {
        // 创建一个为每个任务启动新虚拟线程的 ExecutorService
        try (ExecutorServiceexecutor= Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {

            System.out.println("提交任务...");

            // 提交多个任务，每个任务都在其自己的新虚拟线程中运行
            IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
                executor.submit(() -> {
                    System.out.println("任务 " + i + " 在线程中运行: " + Thread.currentThread());
                    try {
                        // 模拟阻塞工作
                        Thread.sleep(Duration.ofMillis(500));
                    } catch (InterruptedException e) {
                         Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                    System.out.println("任务 " + i + " 完成。");
                });
            });

             System.out.println("任务已提交。执行器将在任务完成后关闭。");
            // try-with-resources 代码块确保 executor.close() 被调用,
            // 它会等待已提交的任务完成后再关闭。

        } // ExecutorService 在这里自动关闭
        System.out.println("主方法结束。");
    }
}

核心优势总结

• 高吞吐量: 处理远超以往的并发任务，尤其擅长 I/O 密集型场景。
• 资源高效: 每个任务的内存占用更低，CPU 利用率更高。
• 提升开发者生产力: 使用简单、熟悉的同步阻塞式代码，却能达到异步代码的可伸缩性。

重要注意事项

• 虚拟线程不会加速 CPU 密集型计算。
• 在 synchronized 代码块或本地方法（JNI）内部阻塞可能会“钉住”（pin）载体线程，降低可伸缩性。推荐使用 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock。
• 当可能存在数百万虚拟线程时，需谨慎使用 ThreadLocal，因为它可能导致显著的内存消耗。

结论

JDK 21 的虚拟线程代表了 Java 并发编程领域的一次重大飞跃。通过提供轻量级的、由 JVM 管理的线程，它们使得开发者能够使用更简单、更易于维护的代码来构建高度可伸缩和高效的应用程序。这一特性极大地提升了 Java 在现代、高吞吐量、云原生应用开发中的能力。