Java 中的虚拟线程

2024年9月10日 | 阅读 6 分钟

在不断发展的软件开发世界中，并发和并行是必不可少的概念。这些技术使开发人员能够充分利用现代多核处理器，从而实现更快、更高效的程序执行。Java 作为一种广泛使用的编程语言，一直提供支持并发的功能。随着 Loom 项目的引入，Java 17 带来了一项新功能：虚拟线程。在本节中，我们将探讨什么是虚拟线程，它们为什么很重要，以及如何在 Java 应用程序中有效地使用它们。

虚拟线程

虚拟线程是 Java 17 中引入的一种新型线程。它们也被称为轻量级线程或绿色线程。与由操作系统管理的传统线程不同，虚拟线程由 Java 虚拟机 (JVM) 管理。这意味着虚拟线程更轻量，我们可以拥有大量虚拟线程而不会压垮系统。

VirtualThreadDemo.java

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class VirtualThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println("Virtual Thread: " + i);
            }
        };
        executor.submit(task);
        executor.submit(task);
        executor.submit(task);
        executor.shutdown();
    }
}

输出

Virtual Thread: 0
Virtual Thread: 1
Virtual Thread: 2
Virtual Thread: 3
Virtual Thread: 4
Virtual Thread: 0
Virtual Thread: 1
Virtual Thread: 2
Virtual Thread: 3
Virtual Thread: 4
Virtual Thread: 0
Virtual Thread: 1
Virtual Thread: 2
Virtual Thread: 3
Virtual Thread: 4

在此示例中，我们使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 来创建一个 ExecutorService，它负责管理虚拟线程。然后，我们将一个 Runnable 任务提交给执行器，它负责在虚拟线程上执行该任务。虚拟线程非常轻量，与传统线程相比，它们可以更高效地创建和管理。

VirtualThreadExample.java

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class VirtualThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        // Create an executor with virtual threads
        ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        // Submit tasks to the executor
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            int taskId = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskId + " is running on a Virtual Thread.");
                int result = compute(taskId);
                System.out.println("Task " + taskId + " completed with result: " + result);
            });
        }
        // Shutdown the executor
        executor.shutdown();
    }
    private static int compute(int taskId) {
        // Simulate a time-consuming computation
        try {
            Thread.sleep(2000); // Simulate a 2-second computation
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return taskId * 10; // A simple computation example
    }
}

输出

Task 1 is running on a Virtual Thread.
Task 2 is running on a Virtual Thread.
Task 3 is running on a Virtual Thread.
Task 4 is running on a Virtual Thread.
Task 5 is running on a Virtual Thread.
Task 1 completed with result: 10
Task 2 completed with result: 20
Task 3 completed with result: 30
Task 4 completed with result: 40
Task 5 completed with result: 50

虚拟线程的优势

1. 轻量级且可扩展

虚拟线程轻量级，比传统线程消耗更少的系统资源。这意味着您可以创建大量虚拟线程而不会产生过多的开销，这使其成为需要高并发的场景的理想选择。

2. 简化代码

使用虚拟线程，您无需管理线程创建和生命周期的低级细节。JVM 会为您处理大部分工作，使您的代码更简洁，不易出错。

3. 改进的资源管理

传统线程需要仔细管理内存和 CPU 使用率等资源。虚拟线程简化了资源管理，使您的应用程序运行得更有效率。

4. 减少上下文切换

线程之间的上下文切换在性能方面可能非常昂贵。虚拟线程最大限度地减少了上下文切换开销，从而提高了应用程序的速度和响应能力。

将虚拟线程与传统线程进行比较

为了更好地理解虚拟线程的优势，让我们在实际示例中将其与传统线程进行比较。

假设您需要并发下载多个文件。使用传统线程，您可能会编写如下代码

TraditionalThreadDemo.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class FileDownloader extends Thread {
    private String url;
    public FileDownloader(String url) {
        this.url = url;
    }
    public void run() {
        System.out.println("Downloading file from URL: " + url);
        // Simulate file download
        try {
            Thread.sleep(2000); // Simulate a 2-second download
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Download completed for URL: " + url);
    }
}
public class TraditionalThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> urls = List.of("url1", "url2", "url3");
        List<Thread> downloadThreads = new ArrayList<>();
        for (String url : urls) {
            Thread thread = new FileDownloader(url);
            downloadThreads.add(thread);
            thread.start();
        }
        for (Thread thread : downloadThreads) {
            try {
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }     
        System.out.println("All downloads have completed.");
    }
}

输出

Downloading file from URL: url1
Downloading file from URL: url2
Downloading file from URL: url3
Download completed for URL: url1
Download completed for URL: url2
Download completed for URL: url3
All downloads have completed.

在此基于传统线程的方法中，我们为每个文件下载创建一个新线程，将它们保存在列表中，并使用 join() 等待所有线程完成。虽然可以正常工作，但它相对重量级，并且对于大量下载来说管理起来可能很复杂。

现在，让我们使用虚拟线程来完成相同的任务

VirtualThreadDownloader.java

import java.util.List;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
class FileDownloader implements Runnable {
    private String url;
    public FileDownloader(String url) {
        this.url = url;
    }
    public void run() {
        System.out.println("Downloading file from URL: " + url);
        // Simulate file download
        try {
            Thread.sleep(2000); // Simulate a 2-second download
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Download completed for URL: " + url);
    }
}
public class VirtualThreadDownloader {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> urls = List.of("url1", "url2", "url3");
        ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        for (String url : urls) {
            executor.submit(new FileDownloader(url));
        }
        executor.shutdown();
    }
}

输出

Downloading file from URL: url1
Downloading file from URL: url2
Downloading file from URL: url3
Download completed for URL: url1
Download completed for URL: url2
Download completed for URL: url3

在此基于虚拟线程的方法中，我们将任务提交给执行器，执行器会自动处理虚拟线程上的执行。它更简洁，更易于管理，尤其是在处理大量下载时。

监控和调试虚拟线程

虽然虚拟线程简化了并发的许多方面，但有效监控和调试应用程序仍然很重要。Java 提供了工具和 API 来帮助您完成此操作。

线程剖析

您可以使用 Java Mission Control (JMC) 或 VisualVM 等工具来剖析和监控虚拟线程。这些工具提供了有关线程执行、资源使用情况和潜在瓶颈的见解。

线程转储分析

在调试虚拟线程问题时，我们可以使用 jstack 等工具或向 Java 进程发送特定信号来生成线程转储。分析线程转储有助于识别死锁或其他线程问题。

总之，作为 Loom 项目的一部分在 Java 17 中引入的虚拟线程，为 Java 中的并发编程带来了显著的改进。它们轻量级、可扩展，并简化了线程管理，使开发人员能够更轻松地编写高效且响应迅速的应用程序。

在本节中，我们探讨了虚拟线程的基础知识、它们相对于传统线程的优势以及如何在实际场景中使用它们。虽然虚拟线程提供了许多优势，但有效监控和调试应用程序以确保平稳运行至关重要。随着 Java 的不断发展，虚拟线程为开发人员提供了构建高性能、并发应用程序的强大工具，这些应用程序可以充分利用现代硬件的功能。通过对虚拟线程有更好的理解，您可以将 Java 开发提升到一个新的水平，创建更快、更高效的应用程序。

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将虚拟线程与传统线程进行比较

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