Java中线程和虚拟线程介绍

一、线程的基本概念

1. 线程的定义

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程可以拥有多个线程，每个线程执行不同的任务。

2. 线程与进程的关系

线程是进程的子集，一个进程可以包含多个线程。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，而线程是CPU调度和执行的基本单位。

3. 线程的优势

线程具有以下优势：

• 提高程序的响应速度：通过多线程技术，可以同时执行多个任务。例如：由一个线程执行及时响应的任务，而另一个线程执行耗时任务。
• 提高CPU的利用率：在单线程程序中，当程序执行I/O操作或其他等待操作时，CPU可能会处于空闲状态。多线程可以在一个线程等待时，让CPU执行另一个线程的任务，从而更充分地利用CPU资源。
• 减少内存开销：线程是进程内的执行流，它们共享进程的内存空间，这意味着线程间可以方便地共享数据，而不需要像进程间那样进行复杂的通信机制。这减少了内存的消耗，因为不需要为每个线程分配单独的内存空间。
• 简化程序结构：通过将不同的任务分配给不同的线程，可以使程序结构更加清晰，每个线程负责一个特定的功能，这样有助于代码的模块化，便于后续的维护和升级。
• 更好的资源管理：线程比进程更轻量级，创建、销毁线程的开销比进程小，因此线程在资源管理上更为高效。

二、Java中的线程

1. 线程的生命周期

Java线程的生命周期主要经历以下五个阶段：

• 新建（New）：创建一个线程对象开始，到执行start()方法启动线程之前，线程都处于新建状态。在这个状态下，线程已经有了相应的内存空间等资源，但还未被启动。
• 就绪（Runnable）：执行start()方法后，线程进入就绪状态。意味着线程已经准备好被CPU执行，等待获取CPU的执行时间。
• 运行（Running）：当线程获得CPU时间片时，它就进入了运行状态，执行run()方法中的代码。需注意，运行状态是就绪状态的一个子集，是线程实际执行代码时的状态。
• 阻塞（Blocked）：线程因某些原因暂停执行，等待条件满足后恢复到就绪状态。如：
  • 等待获取一个同步监视器锁（例如进入一个synchronized代码）。
  • 调用wait()方法后，等待到达最大等待时间，或另一个线程调用notify()唤醒它。
  • 线程调用了Thread.sleep()方法休眠一定时间。
  • 执行I/O操作时等待I/O操作完成。
• 死亡（Terminated）：线程的run()方法执行完毕或者因异常而终止后，线程进入死亡状态。一旦线程死亡，就不能再回到其他状态。

2. Thread类和Runnable接口

Java运行时的平台线程都是通过执行Thread类中的本地方法start0()创建的，在创建后会执行run()方法作为启动方法，run()方法来自于Thread类实现的Runnable接口。所以本质上Java中创建本地线程只有一种方法，就是Thread类的start0()来创建线程，创建后运行Runnable接口的run()实现方法。

3. 线程的创建与启动

通过继承Thread类创建线程：

// 继承Thread类
class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程运行中: " + Thread.currentThread().getName());
    }
}
public class ThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        // 启动线程
        thread.start();
    }
}

通过实现Runnable接口创建线程：

// 实现Runnable接口
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程运行中: " + Thread.currentThread().getName());
    }
}
public class RunnableExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建Runnable对象
        MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();
        // 创建Thread对象，并将Runnable对象作为参数传递
        Thread thread = new Thread(myRunnable);
        // 启动线程
        thread.start();
    }
}

使用线程池管理线程：

// 创建平台线程池
ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(
        10, 10, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(100)
);
// 使用线程池中线程执行任务
executorService.execute(() -> {});
// 关闭线程池
executorService.shutdown();

4. 线程的同步与通信

线程同步是为了解决多线程访问共享资源时的线程安全问题。Java提供了synchronized关键字和Lock接口实现线程同步。线程通信主要依靠Object类的wait()、notify()和notifyAll()方法。

演示代码：

    // 开启同步代码，线程运行到这里时会争抢锁对象this，同一个锁对象的不同同步代码块也是同步的
    synchronized (this) {
        // 唤醒当前锁对象上的所有沉睡的线程
        this.notifyAll();
        try {
            // 阻塞当前线程等待唤醒，同时释放锁
            this.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

5. 线程池简介

在Java程序中，线程是执行任务的基本单元。但是直接创建线程存在以下这些问题：

• 创建和销毁开销：创建和销毁开销较大，频繁操作影响系统性能。
• 资源消耗：内核线程最大数量有限且占用内存，大量创建可能导致资源不足。
• 稳定性问题：过多线程竞争CPU可能会降低系统稳定性。

线程池是一种用于管理和复用线程的容器，它解决了线程频繁创建的问题，并且通过设置最大线程数量避免造成资源耗尽。线程池的工作流程大致如下：

1. 提交任务到线程池
2. 线程池判断核心线程是否耗尽，如果不是，则使用池中线程来执行任务；否则进入下一步
3. 线程池判断任务队列是否已满，如果不是，则将任务放入队列等待执行；否则进入下一步
4. 线程池判断池中的线程数是否已到达最大，如果不是，则创建一个新线程来执行任务；否则，执行饱和策略（比如拒绝任务、抛出异常等）。

相比直接创建线程，线程池：

• 降低资源消耗：重用线程减少重复创建的开销。
• 提高响应速度：省去等待线程创建时间，任务即时执行。
• 增强管理性：统一管理线程状态，避免无序创建导致资源耗尽。
• 附加功能：提供更多执行选项,如定时执行、延迟执行、线程中断等。

总之，线程池是Java并发编程的关键组件，它通过有效管理线程资源来提升程序的性能和稳定性。在Java中，java.util.concurrent包中的ExecutorService接口及其实现类，特别是ThreadPoolExecutor类，提供了线程池的核心实现。

三、虚拟线程概述

1. 什么是虚拟线程

虚拟线程是一种在用户空间（而非操作系统内核空间）中实现的线程，它们通常由程序或运行时环境（如Java虚拟机）管理，而不是由操作系统直接管理。以下是虚拟线程的一些关键特点：

• 用户态管理：虚拟线程在用户空间中创建和管理，这意味着它们的创建、调度和销毁不需要操作系统级别的上下文切换，从而减少了开销。
• 轻量级：由于不需要操作系统级别的资源分配，虚拟线程通常比平台线程（内核线程）更加轻量级。它们可以快速创建和销毁，且占用的内存更少。
• 大规模并发：虚拟线程能够支持大量的并发执行单元，不受内核线程数量限制，这对于需要高并发处理的应用程序来说非常有用。

虽然虚拟线程在用户空间中管理，但它们最终依然需要映射到内核线程以执行实际的计算工作。这种映射通常是多对一的，即多个虚拟线程映射到较少的内核线程上。

2. 虚拟线程与传统线程的区别

特性	虚拟线程	传统线程
运行方式	多对一映射到内核线程上交替执行	一对一映射到内核线程上执行
调度和管理	通常由用户空间的线程库或运行时环境管理	由操作系统内核直接管理，创建、调度和销毁都需要操作系统级别的操作
资源消耗	创建和销毁速度快，占用资源少；数量可以远大于物理线程的数量	每个线程由内核管理，创建和销毁代价高，线程数量受限于操作系统和硬件资源
上下文切换	上下文切换在用户空间内完成，不需要完整的操作系统级别上下文切换，速度更快	涉及操作系统级别上下文切换，包括寄存器状态保存和恢复，内存页表更新，开销较大
同步机制	需要特定的同步机制，不同于内核级同步原语（如互斥锁、条件变量等）	使用操作系统提供的内核级同步机制，通常更成熟和稳定
性能和可扩展性	在处理大量线程时具有更好的可扩展性，管理开销较低	在处理少量线程时性能可能更好，尤其是线程数量接近或等于处理器核心数量时

3. 虚拟线程的优势

• （1）更低的资源开销；
• （2）更高的并发性能；
• （3）简化线程管理。

四、Java中的虚拟线程

1. 虚拟线程的实现原理

在Java19中，虚拟线程基于Fiber（纤程）的概念实现。它们通过用户态的线程库与操作系统进行交互，避免了直接使用操作系统线程资源，从而实现了轻量级的线程管理。这种设计允许Java应用程序在用户空间内部进行线程调度，大幅减少了线程操作的开销。

2. 虚拟线程的创建与使用

// 使用静态方法创建虚拟线程并直接运行
Thread virtualThread = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("新线程执行...");
});

// 使用虚拟线程工厂，这样可以设置更详细的线程信息
ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.ofVirtual().name("myVirtual", 1000).factory();
virtualThreadFactory.newThread(() -> {
    System.out.println("新线程执行...");
}).start();

3. 生命周期对比

生命周期阶段	虚拟线程	传统线程
创建	轻量级，快速	重量级，较慢
就绪	等待调度器分配执行时间	等待操作系统调度
运行	在某个内核线程上执行，可能与其他虚拟线程共享	独占一个内核线程
阻塞	挂起，释放底层内核线程	保持内核线程的占用，可能导致资源浪费
终止	轻量级销毁，快速释放资源	重量级销毁，可能涉及复杂的资源回收

五、线程与虚拟线程的应用场景

1. 传统线程适用场景

传统线程，作为操作系统级别的线程，适合处理以下场景：

• 计算密集型任务：这类任务涉及大量的计算，如复杂的数学运算、图像处理等，它们需要充分利用CPU资源。

2. 虚拟线程适用场景

虚拟线程，由于其轻量级和高效的特点，特别适用于以下场景：

• 高并发场景：在需要处理大量并发请求的环境中，如Web服务器，虚拟线程可以创建数以万计的线程而不会耗尽系统资源。
• 低延迟应用：对于需要快速响应的场景，如金融交易系统，虚拟线程可以减少线程创建和切换的开销，从而降低延迟。
• I/O密集型任务：在执行需要等待的I/O操作时，虚拟线程可以暂时释放底层内核线程，从而更加充分利用系统资源。如处理HTTP请求、维护数据库连接池等。

总结

虚拟线程以其轻量级和高效的特点，为高并发、低延迟的应用场景提供了全新的解决方案。