作者 | Matthew Tyson

譯者 | 李睿

　　Java19影響最深遠的更新之一是引入了虛擬線程。虛擬線程是Project Loom的一部分，可以在Java19預(yù)覽版中使用。

虛擬線程如何工作

　　虛擬線程在操作系統(tǒng)進程和應(yīng)用程序級并發(fā)之間引入了一個抽象層。換句話說，虛擬線程可用于調(diào)度Java虛擬機編排的任務(wù)，因此JVM在操作系統(tǒng)和程序之間起到中介作用。圖1展示了虛擬線程的架構(gòu)。

圖1.Java中虛擬線程的架構(gòu)

　　在這種架構(gòu)中，應(yīng)用程序?qū)嵗摂M線程，并由JVM分配處理虛擬線程的計算資源。與此相比，常規(guī)線程直接映射到操作系統(tǒng)(OS)進程。對于常規(guī)線程，應(yīng)用程序代碼負責(zé)提供和分配操作系統(tǒng)資源。而使用虛擬線程，應(yīng)用程序可以實例化虛擬線程，從而表達并發(fā)性的需求。但正是JVM從操作系統(tǒng)獲取和釋放資源。

　　Java中的虛擬線程類似于Go語言中的goroutine。在使用虛擬線程時，JVM只能在應(yīng)用程序的虛擬線程被駐留時分配計算資源，這意味著它們處于空閑狀態(tài)并等待新的事件。這種空閑在大多數(shù)服務(wù)器中是常見的：它們將一個線程分配給一個請求，然后處于空閑狀態(tài)，并等待一個新的事件，例如來自數(shù)據(jù)存儲的響應(yīng)或來自網(wǎng)絡(luò)的進一步輸入。

　　使用傳統(tǒng)Java線程，當(dāng)服務(wù)器在處理請求時處于空閑狀態(tài)時，操作系統(tǒng)線程也處于空閑狀態(tài)，這嚴(yán)重限制了服務(wù)器的可擴展性。正如Nicolai Parlog所解釋的那樣，“操作系統(tǒng)無法提高平臺線程的效率，但JDK通過切斷其線程與操作系統(tǒng)線程之間的一對一關(guān)系，可以更好地利用它們。”

　　以前為緩解與傳統(tǒng)Java線程相關(guān)的性能和可擴展性問題所做的努力包括異步、響應(yīng)式庫(如JavaRX)。虛擬線程的不同之處在于它們是在JVM級別實現(xiàn)的，但是它們適合Java中現(xiàn)有的編程結(jié)構(gòu)。

使用Java虛擬線程：演示

　　在這個演示中，創(chuàng)建了一個使用Maven原型的簡單Java應(yīng)用程序。為此還做了一些更改，以便在Java19預(yù)覽版中啟用虛擬線程。一旦虛擬線程被升級到預(yù)覽之外，就不需要做這些更改了。

　　清單1顯示了對Maven原型的POM文件所做的更改。需要注意的是，還將編譯器設(shè)置為使用Java19，并在.mvn/jvm.config中添加了一行（例如清單2所示）。

　　清單1.演示應(yīng)用程序的pom.xml

<properties>
<project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
<maven.compiler.source>19</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>19</maven.compiler.target>
</properties>
<plugin>
<groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
<artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
<version>3.10.1</version>
<configuration>
<compilerArgs>
<arg>--add-modules=jdk.incubator.concurrent</arg>
<arg>--enable-preview</arg>
</compilerArgs>
</configuration>
</plugin>

　　要使exec：java在啟用預(yù)覽的情況下工作，必須使用enable-preview開關(guān)。它使用所需的開關(guān)啟動Maven進程。

　　清單2.將enable preview添加到.mvn/jvm.config

--enable-preview

　　現(xiàn)在，可以使用mvn compile exec:java執(zhí)行該程序，虛擬線程特性將被編譯和執(zhí)行。

使用虛擬線程的兩種方法

　　現(xiàn)在考慮在代碼中實際使用虛擬線程的兩種主要方式。雖然虛擬線程對JVM的工作方式產(chǎn)生了巨大的變化，但其代碼實際上與傳統(tǒng)Java線程非常相似。設(shè)計上的相似性使得重構(gòu)現(xiàn)有的應(yīng)用程序和服務(wù)器相對容易。這種兼容性還意味著用于監(jiān)視和觀察JVM中的線程的現(xiàn)有工具將與虛擬線程一起工作。

　　Thread.startVirtualThread(Runnable r)

　　使用虛擬線程的最基本方法是使用Thread.startVirtualThread(Runnable r)）。這是實例化線程和調(diào)用thread.start（）的替代方法。查看清單3中的示例代碼。

　　清單3.實例化一個新線程

package com.infoworld;
import java.util.Random;
public class App {
public static void main( String[] args ) {
boolean vThreads = args.length > 0;
System.out.println( "Using vThreads: " + vThreads);
long start = System.currentTimeMillis();
Random random = new Random();
Runnable runnable = () -> { double i = random.nextDouble(1000) % random.nextDouble(1000);  }; 
for (int i = 0; i < 50000; i++){
if (vThreads){
Thread.startVirtualThread(runnable);
} else {
Thread t = new Thread(runnable);
t.start();
}
}
long finish = System.currentTimeMillis();
long timeElapsed = finish - start;
System.out.println("Run time: " + timeElapsed);
}
}

　　當(dāng)帶有參數(shù)運行時，清單3中的代碼將使用一個虛擬線程，否則將使用常規(guī)線程。無論選擇哪種線程類型，該程序都會生成5萬次迭代。然后，它用隨機數(shù)做一些簡單的數(shù)學(xué)運算，并跟蹤執(zhí)行所需的時間。

　　要使用虛擬線程運行代碼，需要鍵入：mvn-compile-exec:java-Dexec.args=“true”。要使用標(biāo)準(zhǔn)線程運行，需要鍵入：mvn-compile-exec:java。為此進行了一個快速的性能測試，得到如下結(jié)果:

• 帶有虛擬線程：Runtime: 174
• 使用常規(guī)線程：Runtime: 5450

　　這些結(jié)果是不科學(xué)的，但是運行時的差異是巨大的。

　　還有其他使用Thread生成虛擬線程的方法，例如Thread.ofVirtual().start(runnable)。

　　使用執(zhí)行器

　　啟動虛擬線程的另一種主要方法是使用執(zhí)行器。執(zhí)行器在處理線程時很常見，它提供了一種協(xié)調(diào)許多任務(wù)和線程池的標(biāo)準(zhǔn)方法。

　　虛擬線程不需要使用線程池，因為創(chuàng)建和處理它們的成本很低，因此沒有必要使用線程池。與其相反，可以將JVM看作是管理線程池。但是，許多程序確實使用執(zhí)行器，因此Java19在執(zhí)行器中包含了一個新的預(yù)覽方法，使重構(gòu)虛擬線程變得容易。清單4展示了新方法和舊方法。

　　清單4.新的執(zhí)行器方法

ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor(); // New method
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(Integer poolSize); // Old method

　　左右滑動查看完整代碼

　　此外，Java19引入了Executors.newThreadPerTaskExecutor(ThreadFactory threadFactory)方法，它可以采用構(gòu)建虛擬線程的ThreadFactory。這樣的線程工廠可以通過Thread.ofVirtual().factory().獲得。

虛擬線程的優(yōu)秀實踐

　　一般來說，因為虛擬線程實現(xiàn)了線程類，所以它們可以在標(biāo)準(zhǔn)線程所在的任何地方使用。但是，在如何使用虛擬線程以獲得最佳效果方面存在差異。一個例子是在訪問數(shù)據(jù)存儲等資源時使用信號量來控制線程數(shù)量，而不是使用有限制的線程池。

　　另一個重要注意事項是，虛擬線程始終守護線程，這意味著它們將使包含它們的JVM進程保持活動狀態(tài)，直到它們完成。此外，不能更改它們的優(yōu)先級。更改優(yōu)先級和守護進程狀態(tài)的方法為無操作（no-ops）。

使用虛擬線程重構(gòu)

　　虛擬線程在本質(zhì)上是一個很大的改變，但它們很容易應(yīng)用到現(xiàn)有的代碼庫中。虛擬線程將對Tomcat和GlassFish等服務(wù)器產(chǎn)生最大、最直接的影響。這樣的服務(wù)器應(yīng)該能夠以最小的努力采用虛擬線程。在這些服務(wù)器上運行的應(yīng)用程序?qū)@得可擴展性的收益，而無需對代碼進行任何更改，這可能對大規(guī)模應(yīng)用程序產(chǎn)生巨大影響?？紤]一個運行在多個服務(wù)器和核心上的Java應(yīng)用程序，突然之間它將能夠處理一個數(shù)量級的并發(fā)請求，當(dāng)然這完全取決于請求處理配置文件。

　　像Tomcat這樣的服務(wù)器允許帶配置參數(shù)的虛擬線程可能只是時間問題。與此同時，如果對將服務(wù)器遷移到虛擬線程感到好奇，可以閱讀Cay Horstmann撰寫的一篇博客文章，他在文章中展示了為虛擬線程配置Tomcat的過程。他啟用了虛擬線程預(yù)覽功能，并將Executor替換為只差一行的自定義實現(xiàn)?？蓴U展性的好處是顯著的，正如他在文章中所說:“通過這種更改，200個請求只需3秒，而Tomcat可以輕松處理10,000個請求?！?/p>

結(jié)論

　　虛擬線程是JVM的一個主要變化。對于應(yīng)用程序程序員來說，它們代表了異步風(fēng)格編碼(如使用回調(diào))的另一種選擇?？傊?，在處理Java并發(fā)性時，可以將虛擬線程看作是一個擺向Java中同步編程范式的鐘擺。這在編程風(fēng)格上大致類似于JavaScript引入的async/await(盡管在實現(xiàn)上完全不同)。簡而言之，使用簡單的同步語法編寫正確的異步行為變得相當(dāng)容易，至少在線程花費大量時間空閑的應(yīng)用程序中是這樣。

原文鏈接：

??https://www.infoworld.com/article/3678148/intro-to-virtual-threads-a-new-approach-to-java-concurrency.html??