Java虚拟线程（Virtual Threads）标志着Java在并发编程领域的一次重大飞跃，特别是从Java 21版本开始。这项新技术的引入旨在克服传统多线程和线程池存在的挑战。

多线程和线程池

在Java中，传统的多线程编程依赖于Thread类或实现Runnable接口。这些线程都是重量级的，因为每个线程都对应一个操作系统级的线程，这意味着线程的创建、调度和销毁都需要操作系统的深度参与，不仅耗费资源，也消耗时间。

多线程回答的滚瓜烂熟，面试官问我虚线程了解吗？我说不太了解！
为了优化资源使用和提高效率，Java提供了线程池（ExecutorService等）。线程池可以重用固定数量的线程，避免了频繁创建和销毁线程的开销。然而，即使是线程池也无法完全解决上下文切换和资源消耗的问题，尤其是在高并发场景下。此外，大量的线程创建还可能导致OutOfMemoryError。

下面是一个线程池OutOfMemoryError的例子：

publicstaticvoidmain(String[]args){
stackOverFlowErrorExample();
}
privatestaticvoidstackOverFlowErrorExample(){
for(inti=0;i<100_000;i++){
newThread(()->{
try{
Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1L));
}catch(InterruptedExceptione){
thrownewRuntimeException(e);
}
}).start();
}
}

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虚拟线程引入

为了进一步提高并发编程的效率和简化开发过程，Java19引入了虚拟线程概念。这些轻量级的线程在JVM的用户模式下被管理，而不是直接映射到操作系统的线程上。这种设计使得可以创建数百万个虚拟线程，而对操作系统资源的消耗微乎其微。

当代码调用到阻塞操作时例如 IO、同步、Sleep等操作时，JVM 会自动把 Virtual Thread 从平台线程上卸载，平台线程就会去处理下一个虚拟线程，通过这种方式，提升了平台线程的利用率，让平台线程不再阻塞在等待上，从底层实现了少量平台线程就可以处理大量请求，提高了服务吞吐和 CPU 的利用率。

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  • •操作系统线程（OS Thread）：由操作系统管理，是操作系统调度的基本单位。
  • •平台线程（Platform Thread）：传统方式使用的Java.Lang.Thread，都是一个平台线程，是 Java 对操作系统线程的包装，与操作系统是 1:1 映射。
  • •虚拟线程（Virtual Thread）：一种轻量级，由 JVM 管理的线程。对应的实例 java.lang.VirtualThread 这个类。
  • •载体线程（Carrier Thread）：指真正负责执行虚拟线程中任务的平台线程。一个虚拟线程装载到一个平台线程之后，那么这个平台线程就被称为虚拟线程的载体线程。

使用虚拟线程

虚拟线程的使用接口与普通线程相似，但创建虚拟线程的方式略有不同。以下是几种创建和使用虚拟线程的方法：

  1. 直接创建虚拟线程并运行：
//传入Runnable实例并立刻运行:
Threadvt=Thread.startVirtualThread(()->{
System.out.println("Startvirtualthread...");
Thread.sleep(10);
System.out.println("Endvirtualthread.");
});
  1. 创建虚拟线程但不自动运行，而是手动调用start()开始运行：
//创建VirtualThread:
Thread.ofVirtual().unstarted(()->{
System.out.println("Startvirtualthread...");
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Endvirtualthread.");
});
//运行:
vt.start();
  1. 通过虚拟线程的ThreadFactory创建虚拟线程，然后手动调用start()开始运行：
//创建ThreadFactory:
ThreadFactorytf=Thread.ofVirtual().factory();
//创建VirtualThread:
Threadvt=tf.newThread(()->{
System.out.println("Startvirtualthread...");
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Endvirtualthread.");
});
//运行:
vt.start();

直接调用start()实际上是由ForkJoinPool的线程来调度的。我们也可以自己创建调度线程，然后运行虚拟线程：

ExecutorServiceexecutor=Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
//创建大量虚拟线程并调度:
ThreadFactorytf=Thread.ofVirtual().factory();
for(inti=0;i<100_000;i++){
Threadvt=tf.newThread(()->{...});
executor.submit(vt);
executor.submit(()->{
System.out.println("Startvirtualthread...");
Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1L));
System.out.println("Endvirtualthread.");
returntrue;
});
}

由于虚拟线程属于非常轻量级的资源，因此，用时创建，用完就扔，不要池化虚拟线程。

虚线程的性能

下面我们测试一下虚线程的性能

publicstaticvoidmain(String[]args){
testWithVirtualThread();
testWithThread(20);
testWithThread(50);
testWithThread(100);
testWithThread(200);
testWithThread(400);
}
privatestaticlongtestWithVirtualThread(){
longstart=System.currentTimeMillis();
ExecutorServicees=Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
for(inti=0;i<TASK_NUM;i++){
es.submit(()->{
Thread.sleep(100);
return0;
});
}
es.close();
longend=System.currentTimeMillis();
System.out.println("virtualthread:"+(end-start));
returnend;
}
privatestaticvoidtestWithThread(intthreadNum){
longstart=System.currentTimeMillis();
ExecutorServicees=Executors.newFixedThreadPool(threadNum);
for(inti=0;i<TASK_NUM;i++){
es.submit(()->{
Thread.sleep(100);
return0;
});
}
es.close();
System.out.println(threadNum+"thread:"+(System.currentTimeMillis()-start));
es.shutdown();
}

下面是测试结果：

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虚线程真是快到飞起！！！

虚拟线程的原理

Java的虚拟线程会把任务（java.lang.Runnable实例）包装到一个Continuation实例中。当任务需要阻塞挂起的时候，会调用Continuation的 yield 操作进行阻塞，虚拟线程会从平台线程卸载。 当任务解除阻塞继续执行的时候，调用Continuation.run会从阻塞点继续执行。下面让我们结合Thread.ofVirtual().start()来看一下虚线程的实现。

当调用start()方法时，会创建一个虚拟线程varthread =newVirtualThread(scheduler,nextThreadName(),characteristics(),task);

staticThreadnewVirtualThread(Executorscheduler,
Stringname,
intcharacteristics,
Runnabletask){
if(ContinuationSupport.isSupported()){
returnnewVirtualThread(scheduler,name,characteristics,task);
}else{
if(scheduler!=null)
thrownewUnsupportedOperationException();
returnnewBoundVirtualThread(name,characteristics,task);
}
}

核心主要在java.lang.VirtualThread类中。下面是JVM 调用VirtualThread的构造函数：

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VirtualThread会初始化一个ForkJoinPool的Executor.

private static final ForkJoinPool DEFAULT_SCHEDULER = createDefaultScheduler(); 该方法初始化Executor线程池大小。该Executor也就是执行器，提供了一个默认的 FIFO 的 ForkJoinPool 用于执行虚拟线程任务。

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之后创建一个VThreadContinuation对象。该对象存储作为Runnable对象运行的信息，它确保了每个并发操作都有清晰定义的生命周期和上下文。

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“`VThreadContinuation是一种允许程序执行被暂停并在将来某个时刻恢复的机制。虚拟线程利用VThreadContinuation`来实现轻量级的上下文切换.

最后，该方法调用runContinuation方法。该方法在虚拟线程启动时被调用。

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JVM 把虚拟线程分配给平台线程的操作称为 mount（挂载），取消分配平台线程的操作称为 unmount（卸载）。

Continuation组件十分重要，它既是用户真实任务的包装器，同时提供了虚拟线程任务暂停/继续的能力，以及虚拟线程与平台线程数据转移功能，当任务需要阻塞挂起的时候，调用Continuation的 yield 操作进行阻塞。当任务需要解除阻塞继续执行的时候，则调用Continuation的 run 恢复执行。

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总结

虚拟线程是由 Java 虚拟机调度，它的占用空间小，同时使用轻量级的任务队列来调度虚拟线程，避免了线程间基于内核的上下文切换开销，因此可以极大量地创建和使用。主要有以下好处：

  1. 虚拟线程是轻量级的，它们不直接映射到操作系统的线程，而是由JVM在用户态进行管理。这种轻量级特性允许在单个JVM实例中同时运行数百万个虚拟线程。
  2. 虚拟线程大大简化了并发编程的复杂性。开发者可以像编写顺序代码一样编写并发代码，而无需担心传统线程编程中的许多复杂问题，如线程数、同步和资源竞争等。