一、Java協(xié)程的發(fā)展歷程

Java協(xié)程的發(fā)展歷程可以概括為以下幾個(gè)階段：

• 1963年，協(xié)程的概念被正式提出，它的誕生甚至早于線程。
• 2007年，Kilim項(xiàng)目發(fā)布，它是一個(gè)基于字節(jié)碼增強(qiáng)技術(shù)的Java協(xié)程框架。
• 2014年，Quasar項(xiàng)目發(fā)布，它是一個(gè)基于Agent技術(shù)的Java協(xié)程框架。
• 2016年，Project Loom項(xiàng)目啟動(dòng)，它是一個(gè)旨在為Java提供原生協(xié)程支持的項(xiàng)目。
• 2019年，Kotlin語(yǔ)言發(fā)布1.3版本，它是一個(gè)支持協(xié)程編程的Java兼容語(yǔ)言。
• 2020年，Java 15發(fā)布，它包含了Project Loom的預(yù)覽版（Preview Feature），提供了虛擬線程（Virtual Thread）和Scope Variable等特性。

早期嘗試： 在 Java 早期版本中，并發(fā)主要通過(guò)線程和同步機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管 Java 提供了多線程支持，但由于線程的創(chuàng)建和切換開銷較大，這使得高并發(fā)的場(chǎng)景處理效率較低。

Quasar（2011年）： Quasar 是由 Parallel Universe 開發(fā)的一個(gè)基于字節(jié)碼操縱和 bytecode instrumentation 的 Java 協(xié)程庫(kù)。它在 Java 中實(shí)現(xiàn)了類似協(xié)程的概念，通過(guò)操縱字節(jié)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的協(xié)程和任務(wù)切換。Quasar 提供了協(xié)程式的編程方式，允許在一個(gè)線程中執(zhí)行多個(gè)協(xié)程，從而避免了線程切換的開銷。

Kotlin Coroutines（2017年）： Kotlin 是一種運(yùn)行在 JVM 上的編程語(yǔ)言，由 JetBrains 開發(fā)。Kotlin Coroutines 是 Kotlin 的異步編程框架，允許以協(xié)程的方式編寫異步代碼。雖然 Kotlin 是一種獨(dú)立的編程語(yǔ)言，但它可以與 Java 無(wú)縫集成，因此你可以在 Java 項(xiàng)目中使用 Kotlin Coroutines。

Project Loom（進(jìn)行中）： Project Loom 是 OpenJDK 的一個(gè)子項(xiàng)目，致力于為 Java 引入輕量級(jí)線程（稱為 Virtual Threads 或者 Loom Threads）。Loom 的目標(biāo)是在不改變現(xiàn)有 Java 程序的前提下，為 Java 增加纖程的能力。Loom 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效且易用的協(xié)程和輕量級(jí)線程模型，以解決 Java 并發(fā)編程的挑戰(zhàn)。

Java 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中仍然沒(méi)有原生支持協(xié)程的特性。然而，上述項(xiàng)目和庫(kù)的出現(xiàn)表明 Java 社區(qū)對(duì)于高效并發(fā)編程的需求，以及對(duì)于協(xié)程式編程的探索和實(shí)踐，并且未來(lái) Java 的發(fā)展可能會(huì)進(jìn)一步引入更加高級(jí)的并發(fā)機(jī)制，為開發(fā)者提供更優(yōu)雅和高效的并發(fā)編程體驗(yàn)。

二、Java Project Loom

Java Project Loom是Java語(yǔ)言的一個(gè)重要項(xiàng)目，它旨在改進(jìn)Java虛擬機(jī)（JVM）的執(zhí)行模型，以支持輕量級(jí)線程（Lightweight Threads），從而提高Java在處理并發(fā)和并行編程方面的性能和可伸縮性。本文將介紹Java Project Loom的背景、目標(biāo)、主要特性以及對(duì)Java開發(fā)者和應(yīng)用程序的影響。

1、背景

在Java開發(fā)中，線程（Thread）是一種常用的并發(fā)機(jī)制，允許程序以多個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行路徑同時(shí)運(yùn)行。然而，傳統(tǒng)的Java線程模型存在一些問(wèn)題。每個(gè)線程都映射到操作系統(tǒng)的本地線程，這會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建和銷毀線程的開銷較大。而且，由于每個(gè)線程都會(huì)占用一定的內(nèi)存空間，當(dāng)并發(fā)程度較高時(shí)，大量線程的創(chuàng)建可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存消耗過(guò)大，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

為了解決這些問(wèn)題，Java Project Loom項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

Java Project Loom的主要目標(biāo)是引入一種輕量級(jí)線程實(shí)現(xiàn)，稱為“Fibers”（纖程），以優(yōu)化Java線程的管理和執(zhí)行模型。Fibers是一種用戶態(tài)線程，由Java虛擬機(jī)（JVM）和運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行管理，不再需要映射到操作系統(tǒng)的本地線程。這樣，F(xiàn)ibers的創(chuàng)建和銷毀開銷將大大降低，并且可以在同一個(gè)操作系統(tǒng)線程內(nèi)運(yùn)行大量Fibers，從而減少內(nèi)存消耗和提高性能。

2、主要特性

Java Project Loom帶來(lái)了許多重要特性，其中最顯著的是：

（1）Fibers（纖程）

Fibers是Java Project Loom的核心特性。它們是一種輕量級(jí)的、用戶態(tài)的線程實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)Fiber API進(jìn)行創(chuàng)建、掛起、恢復(fù)和取消。與傳統(tǒng)線程相比，F(xiàn)ibers的創(chuàng)建和銷毀成本較低，并且可以高效地復(fù)用線程資源，使得應(yīng)用程序可以擁有數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)并發(fā)執(zhí)行的Fibers，而不會(huì)產(chǎn)生顯著的內(nèi)存開銷。

（2）Continuations（續(xù)體）

為了支持Fibers，Java Project Loom引入了Continuations的概念。Continuations允許在Fiber被掛起時(shí)保存其執(zhí)行狀態(tài)，并在需要時(shí)恢復(fù)到掛起的狀態(tài)。這為Fibers的掛起和恢復(fù)提供了一種高效的機(jī)制，避免了傳統(tǒng)線程上下文切換的開銷。

（3）Virtual Threads（虛擬線程）

Java Project Loom還引入了Virtual Threads的概念，它是一種對(duì)Fibers進(jìn)行透明封裝的機(jī)制。Virtual Threads可以根據(jù)應(yīng)用程序的需求來(lái)動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建和管理Fibers，讓開發(fā)者可以使用簡(jiǎn)單的編程模型處理大規(guī)模并發(fā)而無(wú)需擔(dān)心線程管理細(xì)節(jié)。

（4）Scoped Threads（作用域線程）

Scoped Threads是Java Project Loom的另一個(gè)重要特性，它允許Fibers在有限的作用域內(nèi)運(yùn)行。這樣，F(xiàn)iber在超出其作用域后將自動(dòng)被銷毀，從而避免了資源泄漏和線程管理的復(fù)雜性。

3、Project Loom的影響

Java Project Loom的推出將對(duì)Java開發(fā)者和應(yīng)用程序產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響：

（1）更高的并發(fā)性能

通過(guò)引入輕量級(jí)的Fibers，Java Project Loom將使得Java應(yīng)用程序可以更高效地處理大量并發(fā)任務(wù)，從而提供更高的并發(fā)性能和更好的可伸縮性。

（2）更低的內(nèi)存消耗

由于Fibers不再需要映射到操作系統(tǒng)的本地線程，Java應(yīng)用程序的內(nèi)存消耗將顯著降低，特別是在高并發(fā)場(chǎng)景下，這將對(duì)資源有限的環(huán)境和云計(jì)算平臺(tái)尤為重要。

（3）更簡(jiǎn)潔的代碼

Virtual Threads和Scoped Threads的引入將簡(jiǎn)化并發(fā)編程的代碼邏輯，使得開發(fā)者可以更專注于業(yè)務(wù)邏輯而無(wú)需過(guò)多關(guān)注底層線程管理。

（4）更好的響應(yīng)性

Java Project Loom的改進(jìn)將使得Java應(yīng)用程序更具響應(yīng)性，特別是在高負(fù)載和高并發(fā)情況下，應(yīng)用程序仍然能夠快速響應(yīng)用戶請(qǐng)求。

總體而言，Java Project Loom是Java語(yǔ)言邁向更高并發(fā)性和更好性能的重要一步。通過(guò)引入Fibers和相關(guān)的特性，它將為Java開發(fā)者帶來(lái)更強(qiáng)大的工具，使得開發(fā)高效、高并發(fā)的Java應(yīng)用程序變得更加容易。隨著Java生態(tài)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，Java Project Loom必將成為Java開發(fā)中不可或缺的重要組成部分。

4、Samples

許多應(yīng)用程序不會(huì)直接使用 Thread API，而是使用
java.util.concurrent.ExecutorService和 Executors API。Executors API 已更新為 ExecutorServices 的新工廠方法，為每個(gè)任務(wù)啟動(dòng)一個(gè)新線程。虛擬線程足夠便宜，可以為每個(gè)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)新的虛擬線程，永遠(yuǎn)不需要池化虛擬線程。

下面啟動(dòng)一個(gè)虛擬線程來(lái)打印消息。它調(diào)用join方法來(lái)等待線程終止。

Thread thread = Thread.ofVirtual().start(() -> System.out.println("Hello"));
thread.join();

下面是一個(gè)在休眠后啟動(dòng)虛擬線程將元素放入隊(duì)列的示例。主線程阻塞在隊(duì)列上，等待元素。

var queue = new SynchronousQueue<String>();
Thread.ofVirtual().start(() -> {
    try {
        Thread.sleep(Duration.ofSeconds(2));
        queue.put("done");
    } catch (InterruptedException e) { }
});
 
String msg = queue.take();

Thread.Builder API 也可用于創(chuàng)建 ThreadFactory。以下代碼片段創(chuàng)建的 ThreadFactory 將創(chuàng)建名為“worker-0”、“worker-1”、“worker-2”等的虛擬線程。

ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().name("worker", 0).factory();

以下示例使用 Executors API 創(chuàng)建一個(gè) ExecutorService，為每個(gè)任務(wù)啟動(dòng)一個(gè)新的虛擬線程。 該示例使用 try-with-resources 構(gòu)造來(lái)確保 ExecutorService 在繼續(xù)之前已終止。

ExecutorService定義了提交方法來(lái)執(zhí)行任務(wù)。提交方法不會(huì)阻塞，而是返回一個(gè)可用于等待結(jié)果或異常的 Future 對(duì)象。接受任務(wù)集合的 Submit 方法會(huì)返回一個(gè) Stream，該 Stream 會(huì)延遲填充代表結(jié)果的已完成的 Future 對(duì)象。

該示例還使用 invokeAll 和invokeAny 組合器方法 來(lái)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并等待它們完成。

try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadExecutor()) {
      // Submits a value-returning task and waits for the result
    Future<String> future = executor.submit(() -> "foo");
    String result = future.join();
 
    // Submits two value-returning tasks to get a Stream that is lazily populated
    // with completed Future objects as the tasks complete
    Stream<Future<String>> stream = executor.submit(List.of(() -> "foo", () -> "bar"));
    stream.filter(Future::isCompletedNormally)
            .map(Future::join)
            .forEach(System.out::println);
 
    // Executes two value-returning tasks, waiting for both to complete
    List<Future<String>> results1 = executor.invokeAll(List.of(() -> "foo", () -> "bar"));
 
    // Executes two value-returning tasks, waiting for both to complete. If one of the
    // tasks completes with an exception, the other is cancelled.
    List<Future<String>> results2 = executor.invokeAll(List.of(() -> "foo", () -> "bar"), /*waitAll*/ false);
 
    // Executes two value-returning tasks, returning the result of the first to
    // complete, cancelling the other.
    String first = executor.invokeAny(List.of(() -> "foo", () -> "bar"));

}

三、SpringBoot如何使用協(xié)程

1、Project Loom

Java Project Loom旨在改進(jìn)Java虛擬機(jī)的執(zhí)行模型，其中核心概念是Fibers，也稱為輕量級(jí)線程。Fibers提供了一種輕量級(jí)的線程模型，可以高效地創(chuàng)建和管理大量的并發(fā)任務(wù)，而不像傳統(tǒng)線程那樣消耗大量的系統(tǒng)資源。雖然Spring Boot本身沒(méi)有集成Project Loom，但可以在Spring Boot應(yīng)用程序中使用Project Loom來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)程。為此，你需要使用Java 17或更新版本，并引入Project Loom的依賴。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示如何使用Project Loom的Fibers來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)程：

public class CoroutineExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newVirtualThreadExecutor();

        SubmissionPublisher<String> publisher = new SubmissionPublisher<>(executorService, 1);

        // Subscribe to the publisher
        publisher.subscribe(new SimpleSubscriber());

        // Publish some data
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            publisher.submit("Data " + i);
        }

        // Close the publisher and wait for the subscribers to finish
        publisher.close();
        executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS);
        executorService.shutdown();
    }
}

2、Quasar框架

Quasar是一個(gè)基于Java的協(xié)程庫(kù)，它提供了協(xié)程的實(shí)現(xiàn)和管理。使用Quasar，你可以在Spring Boot應(yīng)用程序中創(chuàng)建協(xié)程來(lái)處理并發(fā)任務(wù)。

要使用Quasar，你需要將其作為依賴項(xiàng)添加到Spring Boot項(xiàng)目中。然后，你可以使用Quasar提供的API來(lái)創(chuàng)建、掛起和恢復(fù)協(xié)程。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示如何在Spring Boot應(yīng)用程序中使用Quasar實(shí)現(xiàn)協(xié)程：

@FiberSpringBootApplication
    public class CoroutineExample {

        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Fiber<Void>(() -> {
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    System.out.println("Data " + i);
                    try {
                        Fiber.sleep(1000);
                    } catch (SuspendExecution | InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start().join();
        }
    }

四、第三方集成

1、Vert.x

Vert.x是一個(gè)基于事件驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)式框架，它可以讓開發(fā)者使用Java或其他JVM語(yǔ)言編寫高性能的異步應(yīng)用。Vert.x已經(jīng)開始嘗試集成Java虛擬線程，目前有一個(gè)虛擬線程孵化器項(xiàng)目，它包含了一個(gè)async/await的實(shí)現(xiàn)。這個(gè)項(xiàng)目可以讓開發(fā)者使用類似于JavaScript或C#的語(yǔ)法來(lái)編寫異步代碼，而不需要使用回調(diào)或者Future。

Vert.x是一個(gè)用于構(gòu)建響應(yīng)式、高性能、可伸縮的應(yīng)用程序的工具包和框架。它基于Java語(yǔ)言，提供了一個(gè)異步編程模型，使得開發(fā)者可以輕松地構(gòu)建事件驅(qū)動(dòng)的、非阻塞的應(yīng)用程序。

主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

• 響應(yīng)式和非阻塞：Vert.x采用了事件循環(huán)和異步編程模型，允許應(yīng)用程序以非阻塞方式處理請(qǐng)求和事件，從而實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延遲。
• 多語(yǔ)言支持：盡管Vert.x是用Java構(gòu)建的，但它還支持其他語(yǔ)言，如Kotlin、Groovy和JavaScript。這使得開發(fā)者可以使用自己喜歡的語(yǔ)言來(lái)編寫應(yīng)用程序。
• 內(nèi)置集群支持：Vert.x內(nèi)置了集群支持，可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行應(yīng)用程序?qū)嵗瑥亩鴮?shí)現(xiàn)水平擴(kuò)展和高可用性。
• 組件豐富：Vert.x提供了豐富的組件和庫(kù)，包括HTTP服務(wù)器、WebSocket、消息總線、數(shù)據(jù)庫(kù)客戶端等，使得開發(fā)者能夠快速構(gòu)建各種類型的應(yīng)用程序。
• 輕量級(jí)：Vert.x是一個(gè)輕量級(jí)框架，不像一些大型框架那樣臃腫，可以在資源有限的環(huán)境中運(yùn)行。
• 社區(qū)活躍：Vert.x擁有一個(gè)活躍的開源社區(qū)，持續(xù)開發(fā)和更新，使得它保持在技術(shù)前沿，并且有很多貢獻(xiàn)者為其提供支持和擴(kuò)展。

Vert.x適用于構(gòu)建各種類型的應(yīng)用程序，特別是需要高性能、高并發(fā)和實(shí)時(shí)性的場(chǎng)景。它可以用于構(gòu)建Web應(yīng)用程序、API服務(wù)、實(shí)時(shí)通信應(yīng)用、IoT應(yīng)用等。如果您對(duì)響應(yīng)式編程和高性能的應(yīng)用程序開發(fā)感興趣，Vert.x值得一試。

2、Jetty

Jetty是一個(gè)輕量級(jí)的Java web服務(wù)器和servlet容器。Jetty也已經(jīng)支持了Java虛擬線程。

Java 19 中引入的虛擬線程在 Jetty 12 中受支持，因?yàn)樗鼈兎謩e從 10.11.10 和 0.12.11 開始在 Jetty 0 和 Jetty 12 中得到支持。

當(dāng) JVM 支持虛擬線程并在 Jetty 中啟用時(shí)（請(qǐng)參閱嵌入式用法和獨(dú)立用法），將使用虛擬線程調(diào)用應(yīng)用程序，這允許它們使用簡(jiǎn)單的阻塞 API，但具有虛擬線程的可伸縮性優(yōu)勢(shì)。

3、Tomcat

Tomcat是一個(gè)廣泛使用的Java web服務(wù)器和servlet容器。Tomcat也支持Java虛擬線程，并在版本中有相關(guān)說(shuō)明。

4、Helidon

Helidon是一個(gè)微服務(wù)框架，它提供了兩種編程模型：Helidon SE和Helidon MP。Helidon SE是一個(gè)基于函數(shù)式編程的輕量級(jí)框架，它支持Reactive Streams和非阻塞IO。Helidon MP是一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)化的注解驅(qū)動(dòng)的框架，它支持MicroProfile API。Helidon也已經(jīng)集成了Java虛擬線程，并提供了一些示例代碼來(lái)展示如何使用它。

5、Quarkus

Quarkus是一個(gè)為云原生應(yīng)用而生的全?？蚣?，它提供了高性能、低內(nèi)存占用、快速啟動(dòng)和熱重載等特性。Quarkus也已經(jīng)支持了Java虛擬線程，并提供了一些文檔和指南來(lái)介紹如何使用它。