前言
在处理大量并发任务时，传统线程因占用内存多、切换成本高，常成为性能瓶颈。JDK 19 引入了虚拟线程，JDK 21 将其正式纳入标准，提供了一种更轻量、高效的解决方案。虚拟线程能够显著减少内存开销和上下文切换成本，适用于高并发、高负载的应用场景。
1. 传统线程与虚拟线程对比
在传统Java中，每个线程都与操作系统中的线程一一对应，这就像让每个顾客都坐在一个固定位置的餐厅，桌椅数量有限，客人一多就排队。而虚拟线程更像是一个快餐店，顾客可以快速流动，资源利用率更高。
传统线程与虚拟线程对比表
| 特性 | 传统线程 | 虚拟线程 |
|---|---|---|
| 内存占用 | 每个线程占用几百KB内存 | 每个线程初始占用极少内存 |
| 线程切换成本 | 操作系统管理，成本较高 | Java运行时管理，切换成本低 |
| 最大线程数 | 受内存和系统限制，通常几千个 | 轻松创建数百万个线程 |
| 阻塞操作 | 阻塞会占用系统资源 | 阻塞时自动挂起线程，释放资源 |
| 适用场景 | 适合CPU密集型任务 | 适合I/O密集型、高并发场景 |
虚拟线程就像是对传统线程进行了“瘦身”和“加速”，让我们可以在不担心资源耗尽的情况下创建大量并发任务。
2. 虚拟线程的原理
虚拟线程的核心是纤程（Fiber），它并不是由操作系统管理，而是由Java运行时（JVM）来调度。简单来说，虚拟线程更像是跑步机上的跑步者，而不是需要真正在路上跑步。它的核心原理有以下几点：
- 协作式调度：虚拟线程在遇到阻塞（比如等待数据）时，会主动暂停自己，释放CPU资源，避免不必要的资源占用。这就像是在繁忙的跑步机上，虚拟线程会自己跳下来休息，给其他任务机会。
- 事件驱动：Java运行时会时刻关注虚拟线程的状态，及时做出调整。它就像一个聪明的调度员，知道什么时候给每个线程分配适当的CPU时间。
- 减少阻塞成本：虚拟线程在执行阻塞操作时（例如读取文件或等待网络响应）非常高效。它们会在需要等待的时刻暂停，而不是让整个线程卡在那儿，其他任务仍然可以继续执行。这就像在等待公交车时，虚拟线程选择在旁边等，而不是一直占用跑步机。
3. 如何使用虚拟线程
在JDK 21中，使用虚拟线程非常简单。通过Thread.ofVirtual()来创建虚拟线程，以下是几个简单的示例。
示例 1：创建和启动虚拟线程
public class VirtualThreadExample1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(() -> {
System.out.println("Hello from virtual thread: " + Thread.currentThread());
});
virtualThread.join(); // 等待虚拟线程执行完毕，确保看到控制台输出
}
}
输出示例：
Hello from virtual thread: VirtualThread[#1]/runnable
这个例子创建了一个简单的虚拟线程，打印当前线程的信息。virtualThread.join()确保主线程等待虚拟线程执行完毕，避免程序提前结束，保证线程打印内容到控制台。
示例 2：批量创建虚拟线程
虚拟线程特别适合执行大量并发任务。
public class VirtualThreadExample2 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[100_000];
for (int i = 0; i < 100_000; i++) {
threads[i] = Thread.ofVirtual().start(() -> {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Task completed by: " + Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
// 等待所有虚拟线程执行完毕
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
}
}
输出示例：
省略N条...
Task completed by: VirtualThread[#100053]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-11
Task completed by: VirtualThread[#100052]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-5
Task completed by: VirtualThread[#100054]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-4
在传统线程模型中，创建10万线程几乎不可能实现，而虚拟线程却能轻松完成。thread.join()确保所有线程都执行完毕。
示例 3：结合Executor框架使用虚拟线程
JDK 21对ExecutorService进行了增强，可以更方便地使用虚拟线程来执行任务。
public class VirtualThreadExample3 {
public static void main(String[] args) {
try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
for (int i = 0; i < 100_000; i++) {
executor.submit(() -> {
System.out.println("Task executed by: " + Thread.currentThread());
});
}
}
}
}
输出示例：
省略N条...
Task executed by: VirtualThread[#100060]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-14
Task executed by: VirtualThread[#100059]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-18
Task executed by: VirtualThread[#100058]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-10
解释：
Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()会为每个任务分配一个虚拟线程。- 任务执行完毕后，虚拟线程会被自动回收，无需手动管理。
4. 虚拟线程的优势与不足
优势
-
高并发能力
虚拟线程可以轻松创建数百万个，显著提升系统的并发处理能力，适合高并发场景。 -
资源利用率高
虚拟线程是轻量级的，内存和 CPU 开销远低于传统线程，能够更高效地利用系统资源。 -
简单易用
虚拟线程的编程模型与传统线程一致，开发者无需学习新的并发概念，迁移成本低。 -
降低上下文切换开销
虚拟线程的调度由 JVM 管理，上下文切换开销远低于操作系统线程，适合频繁阻塞的任务。 -
提升开发效率
开发者可以像编写同步代码一样编写异步代码，无需使用复杂的回调或反应式编程模型，降低了代码复杂度。 -
更好的可扩展性
虚拟线程的数量不受操作系统线程数限制，能够更好地适应现代高并发应用的需求。
不足
-
CPU 密集型任务效果不佳
虚拟线程主要针对 I/O 密集型任务优化，在 CPU 密集型任务中无法显著提升性能，甚至可能因调度开销导致性能下降。 -
对底层 I/O 操作的依赖
虚拟线程的性能优势依赖于底层 I/O 操作的非阻塞实现。如果 I/O 操作是阻塞的（如某些旧版 JDBC 驱动），虚拟线程的优势将大打折扣。 -
线程局部变量（ThreadLocal）的开销
虚拟线程的数量可能非常庞大，如果大量使用ThreadLocal，可能会导致内存占用过高，甚至引发内存泄漏。 -
与旧框架兼容性问题
部分老旧框架（尤其是依赖ThreadLocal或线程池的框架）可能无法直接支持虚拟线程，需要额外适配。 -
调试和监控难度增加
虚拟线程数量庞大且生命周期短，传统监控工具可能难以有效追踪所有线程的状态，增加了调试和性能分析的复杂度。 -
生态系统支持尚不完善
虚拟线程是 Java 19 引入的新特性，部分第三方库和工具可能尚未完全适配，需要时间逐步完善。 -
学习曲线和迁移成本
虽然虚拟线程的编程模型与传统线程一致，但开发者仍需要了解其底层原理和最佳实践，以充分发挥其优势。
5. 虚拟线程的适用场景
-
高并发场景
Web服务器、微服务、大规模爬虫等并发任务多的系统。 -
I/O密集型应用
处理大量网络请求或文件读写操作。 -
事件驱动系统
如消息队列、实时数据流，处理高频事件更高效。 -
异步任务简化
替代回调或异步框架，代码更简单清晰。 -
微服务并发调用
服务间的高并发通信和调用场景。 -
低延迟需求
如金融交易系统、实时监控、快速响应场景。
结语
虚拟线程是JDK 21的重要特性，为Java高并发编程开辟了新的可能性。它不仅简化了代码，还大大提升了系统的扩展能力。希望通过本文的介绍，能帮助你掌握虚拟线程的基本用法。
