虚拟线程

1、概述

虚拟线程：是 JDK 21 推出的一种新的轻量级线程实现，它由 Java 运行时环境（JRE）管理，而不是由操作系统内核管理。这使得可以轻松创建和管理数以百万计的线程，而不会像传统的平台线程那样受到资源限制。

虚拟线程与平台线程的对比：

对比	虚拟线程	平台线程
调度	由 JVM 管理	由操作系统管理
创建成本	创建成本低	创建成本高
线程数量	数百万计	受限于操作系统限制，几千到几万不等
内存占用	几十 KB	1 MB 左右
上下文切换	无系统级上下文切换	有系统级上下文切换，成本较高
适用场景	I/O 密集型	CPU 密集型

虚拟线程的优势：

1. 资源效率：虚拟线程在内存使用上更为高效。
2. 简化线程管理：虚拟线程的创建和管理过程更为简便，通过工厂方法可以轻松创建，无需手动管理线程资源。
3. 避免线程爆炸：由于资源消耗低，虚拟线程可以处理大量并发任务，而不必担心资源耗尽。
4. 协作调度：虚拟线程采用协作调度模型，减少了锁竞争和上下文切换的开销，提升了多线程程序的性能。
5. 避免阻塞：虚拟线程在遇到阻塞操作时可以释放执行权，允许其他线程执行，提高了程序的响应性。

2、虚拟线程的使用

1）Thread.ofVirtual()：返回一个 Thread.Builder 对象，允许设置线程名称、线程组等属性，最后通过 start(Runnable task) 来启动线程。

Thread.ofVirtual()
    .name("VirtualThread-Test")
    .start(() -> System.out.println("Hello Virtual Thread"));

2）Thread.startVirtualThread()：接收一个 Runnable 对象作为参数，创建并立即启动一个虚拟线程，并返回一个 Thread 类的实例。

Thread thread = Thread.startVirtualThread(() -> System.out.println("Hello Virtual Thread"));

3）Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()：创建一个 ExecutorService，它为每个提交的任务创建一个新的虚拟线程。

ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
executor.submit(() -> System.out.println("Task 1 in a virtual thread"));
executor.submit(() -> System.out.println("Task 2 in a virtual thread"));
executor.submit(() -> System.out.println("Task 3 in a virtual thread"));

3、虚拟线程的原理

系统线程、平台线程、虚拟线程之间的关系：

• 平台线程是由操作系统管理，一个平台线程（Platform Thread）通常对应于一个系统线程（OS Thread）。
• 虚拟线程是由 JVM 管理，一个平台线程（Platform Thread）可以运行多个虚拟线程（Virtual Thread）。

为了验证虚拟线程（Virtual Thread）和平台线程（Platform Thread）的关系，我们可以执行以下代码：

Thread.ofPlatform().start(() -> System.out.println(Thread.currentThread()));
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    Thread.ofVirtual().start(() -> System.out.println(Thread.currentThread()));
}

运行结果：

Thread[#30,Thread-0,5,main]
VirtualThread[#31]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-1
VirtualThread[#36]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-3
VirtualThread[#33]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-2
VirtualThread[#39]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-1
VirtualThread[#40]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-1
...

• Thread[#30,Thread-0,5,main]：一个编号为 30、名为 Thread-0、优先级为 5、属于 main 线程组的线程。
• VirtualThread[#31]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-1：一个编号为 31、状态为 runnable、由 ForkJoinPool-1 线程池中的一个工作线程（worker-1）执行的虚拟线程。
• VirtualThread[#33]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-2：一个编号为 33、状态为 runnable、由 ForkJoinPool-1 线程池中的一个工作线程（worker-2）执行的虚拟线程。
• VirtualThread[#36]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-3：一个编号为 36、状态为 runnable、由 ForkJoinPool-1 线程池中的一个工作线程（worker-3）执行的虚拟线程。 由此可知，虚拟线程是在 ForkJoinPool 线程池中的 worker 线程中执行，而多个虚拟线程会复用 worker 线程，如下图：

ForkJoinPool 是 Java 中的一个线程池实现，它使用工作窃取算法来平衡线程的工作负载。每个工作线程都有自己的任务队列，当某个线程完成了自己的任务，它会尝试从其他线程的队列中窃取任务来执行，通常是从队列的尾部获取，以实现负载均衡。

虚拟线程通过与 ForkJoinPool 结合使用，可以充分利用多核 CPU 的优势，将一个大任务分解成多个小任务，并在多个处理器核心上并行执行，从而提高程序的并发性能和响应能力。