本文給大家介紹了一下JDK 19新推出的虛擬線程，或者叫協程，主要是為了解決在讀書操作系統中線程需要依賴內核線程的實現，導致有很多額外開銷的問題。通過在Java語言層面引入虛擬線程，通過JVM進行調度管理，從而減少上下文切換的成本。

?最近，JDK 19發布了，推出了幾個新的特性，其中有一個比較值得關注的那就是新增了虛擬線程。

【資料圖】

很多人可能比較疑惑，到底什么是虛擬線程，和我們現在使用的平臺線程有啥區別呢？

要說清楚JDK 19中的虛擬線程，我們要先來了解一下線程都是怎么實現的。

線程的實現方式

我們都知道，在操作系統中，線程是比進程更輕量級的調度執行單位，線程的引入可以把一個進程的資源分配和執行調度分開，各個線程既可以共享進程資源，又可以獨立調度。

其實，線程的實現方式主要有三種：分別是使用內核線程實現、使用用戶線程實現以及使用用戶線程加輕量級進程混合實現。

使用內核線程實現

內核線程（Kernel-Level Thread,KLT）就是直接由操作系統內核（Kernel，下稱內核）支持的線程，這種線程由內核來完成線程切換，內核通過操縱調度器（Scheduler）對線程進行調度，并負責將線程的任務映射到各個處理器上，并向應用程序提供API接口來管理線程。

應用程序一般不會直接去使用內核線程，而是去使用內核線程的一種高級接口——輕量級進程（Light Weight Process,LWP），輕量級進程就是我們通常意義上所講的線程，由于每個輕量級進程都由一個內核線程支持，因此只有先支持內核線程，才能有輕量級進程。

有了內核線程的支持，每個輕量級進程都成為一個獨立的調度單元，即使有一個輕量級進程在系統調用中阻塞了，也不會影響整個進程繼續工作。

但是輕量級進程具有它的局限性：首先，由于是基于內核線程實現的，所以各種線程操作，如創建、析構及同步，都需要進行系統調用。而系統調用的代價相對較高，需要在用戶態（User Mode）和內核態（Kernel Mode）中來回切換。其次，每個輕量級進程都需要有一個內核線程的支持，因此輕量級進程要消耗一定的內核資源（如內核線程的棧空間），因此一個系統支持輕量級進程的數量是有限的。

使用用戶線程實現

在用戶空間建立線程庫，通過運行時系統(Run-time System)來完成線程的管理，因為這種線程的實現是在用戶空間的，所以操作系統的內核并不知道線程的存在，所以內核管理的還是進程，所以這種線程的切換不需要內核操作。

這種實現方式下，一個進程和線程之間的關系是一對多的。

這種線程實現方式的優點是線程切換快，并且可以運行在任何操作系統之上，只需要實現線程庫就行了。但是缺點也比較明顯，就是所有線程的操作都需要用戶程序自己處理，并且因為大多數系統調用都是阻塞的，所以一旦一個進程阻塞了，那么進程中的所有線程也會被阻塞。還有就是多處理器系統中如何將線程映射到其他處理器上也是一個比較大的問題。

使用用戶線程加輕量級進程混合實現

還有一種混合實現的方式，就是線程的創建在用戶空間完成，通過線程庫進行，但是線程的調度是由內核來完成的。多個用戶線程通過多路復用來復用多個內核線程。這個就不展開講了

Java線程的實現方式

以上講的是操作系統的線程的實現的三種方式，不同的操作系統在實現線程的時候會采用不同的機制，比如windows采用的是內核線程實現的，而Solaris則是通過混合模式實現的。

而Java作為一門跨平臺的編程語言，實際上他的線程的實現其實是依賴具體的操作系統的。而比較常用的windows和linux來說，都是采用內核線程的方式實現的。

也就是說，當我們在JAVA代碼中創建一個Tread的時候，其實是需要映射到操作系統的線程的具體實現的，因為常見的通過內核線程實現的方式在創建、調度時都需要進行內核參與，所以成本比較高，盡管JAVA中提供了線程池的方式來避免重復創建線程，但是依舊有很大的優化空間。而且這種實現方式意味著受機器資源的影響，平臺線程數也是有限制的。

虛擬線程

JDK 19引入的虛擬線程，是JDK 實現的輕量級線程，他可以避免上下文切換帶來的的額外耗費。他的實現原理其實是JDK不再是每一個線程都一對一的對應一個操作系統的線程了，而是會將多個虛擬線程映射到少量操作系統線程中，通過有效的調度來避免那些上下文切換。

而且，我們可以在應用程序中創建非常多的虛擬線程，而不依賴于平臺線程的數量。這些虛擬線程是由JVM管理的，因此它們不會增加額外的上下文切換開銷，因為它們作為普通Java對象存儲在RAM中。

虛擬線程與平臺線程的區別

首先，虛擬線程總是守護線程。setDaemon (false)方法不能將虛擬線程更改為非守護線程。所以，需要注意的是，當所有啟動的非守護進程線程都終止時，JVM將終止。這意味著JVM不會等待虛擬線程完成后才退出。

其次，即使使用setPriority()方法，虛擬線程始終具有normal的優先級，且不能更改優先級。在虛擬線程上調用此方法沒有效果。

還有就是，虛擬線程是不支持stop()、suspend()或resume()等方法。這些方法在虛擬線程上調用時會拋出UnsupportedOperationException異常。

如何使用虛擬線程

接下來介紹一下，在JDK 19中如何使用虛擬線程。

首先，通過Thread.startVirtualThread()可以運行一個虛擬線程：

Thread.startVirtualThread(() -> {    System.out.println("虛擬線程執行中...");});

其次，通過Thread.Builder也可以創建虛擬線程，Thread類提供了ofPlatform()來創建一個平臺線程、ofVirtual()來創建虛擬現場。

Thread.Builder platformBuilder = Thread.ofPlatform().name("平臺線程");Thread.Builder virtualBuilder = Thread.ofVirtual().name("虛擬線程");Thread t1 = platformBuilder .start(() -> {...}); Thread t2 = virtualBuilder.start(() -> {...});

另外，線程池也支持了虛擬線程，可以通過Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()來創建虛擬線程：

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {    IntStream.range(0, 10000).forEach(i -> {        executor.submit(() -> {            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));            return i;        });    });}

但是，其實并不建議虛擬線程和線程池一起使用，因為Java線程池的設計是為了避免創建新的操作系統線程的開銷，但是創建虛擬線程的開銷并不大，所以其實沒必要放到線程池中。

性能差異

說了半天，虛擬線程到底能不能提升性能，能提升多少呢？我們來做個測試。

我們寫一個簡單的任務，在控制臺中打印消息之前等待1秒：

final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();Runnable runnable = () -> {  try {    Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));  } catch(Exception e) {      System.out.println(e);  }  System.out.println("Work Done - " + atomicInteger.incrementAndGet());};

現在，我們將從這個Runnable創建10,000個線程，并使用虛擬線程和平臺線程執行它們，以比較兩者的性能。

先來我們比較熟悉的平臺線程的實現：

Instant start = Instant.now();try (var executor = Executors.newFixedThreadPool(100)) {  for(int i = 0; i < 10_000; i++) {    executor.submit(runnable);  }}Instant finish = Instant.now();long timeElapsed = Duration.between(start, finish).toMillis();  System.out.println("總耗時 : " + timeElapsed);

輸出結果為：

總耗時 : 102323

總耗時大概100秒左右。接下來再用虛擬線程跑一下看看

因為在JDK 19中，虛擬線程是一個預覽API，默認是禁用。所以需要使用$ java——source 19——enable-preview xx.java 的方式來運行代碼。?

Instant start = Instant.now();try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {  for(int i = 0; i < 10_000; i++) {    executor.submit(runnable);  }}Instant finish = Instant.now();long timeElapsed = Duration.between(start, finish).toMillis();  System.out.println("總耗時 : " + timeElapsed);

使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()來創建虛擬線程，執行結果如下：

總耗時 : 1674

總耗時大概1.6秒左右。

100秒和1.6秒的差距，足以看出虛擬線程的性能提升還是立竿見影的。

總結

本文給大家介紹了一下JDK 19新推出的虛擬線程，或者叫協程，主要是為了解決在讀書操作系統中線程需要依賴內核線程的實現，導致有很多額外開銷的問題。通過在Java語言層面引入虛擬線程，通過JVM進行調度管理，從而減少上下文切換的成本。

同時我們經過簡單的demo測試，發現虛擬線程的執行確實高效了很多。但是使用的時候也需要注意，虛擬線程是守護線程，所以有可能會沒等他執行完虛擬機就會shutdown掉。

參考資料：

https://openjdk.org/jeps/425

https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/virtual-threads/

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