Project Loom虚拟介绍

Project Loom 是一个由 OpenJDK 社区发起的项目，旨在为 Java 引入轻量级线程（称为 Virtual Threads 或 Loom Threads），以支持高吞吐量的并发模型。

Project Loom 的目标是减少编写、维护和观察高吞吐量并发应用程序的努力，同时充分利用可用的硬件资源。它通过引入虚拟线程来实现这一点，虚拟线程在代码中、运行时、调试器和分析器中都被视为 Thread。虚拟线程不是 OS 线程的包装器，而是 Java 实体。创建虚拟线程的成本很低，可以拥有数以百万计的虚拟线程，而不需要对它们进行池化管理。

以下是 Project Loom 的一些关键时间线和功能里程碑：

1. 2016 年：Project Loom 项目启动，目的是为 Java 提供原生协程支持。

2. 2017 年：Kotlin 语言发布 1.3 版本，这是一个支持协程编程的 Java 兼容语言。

3. 2020 年 5 月：Ron Pressler 提到 Project Loom 的工作始于 2017 年末。

4. 2020 年：Java 15 发布，包含了 Project Loom 的预览版（Preview Feature），提供了虚拟线程（Virtual Thread）和 Scope Variable 等特性。

5. 2022 年：在 2022 年 9 月 20 日发布的 Java 19 中，虚拟线程作为预览功能引入。这允许开发者体验虚拟线程的特性，但这些特性在那时还不是正式的稳定发布部分。

6. 2023 年：根据 JEP 444 的提议，虚拟线程计划在 JDK 21 中正式发布，这表明了虚拟线程的稳定化之路更加明确。JEP 444 提出了对虚拟线程的最终确定，并且从 JDK 20 到 JDK 21 只有一处变化。这表明 Java 虚拟线程预计会在 2023 年 9 月左右正式发布。

7. 2024 年：截至 2024 年，虚拟线程已经在 Java 21 中正式发布，这标志着 Project Loom 的主要部分已经集成到 Java 中。

虚拟线程在多种场景下特别有用，尤其是在需要处理大量并发任务的情况下。以下是虚拟线程的一些说明：

1. 协程（Coroutines/Fibers）

Project Loom 还引入了协程的概念，允许开发者以同步的方式编写异步代码，从而简化异步编程模型。 Fibers 是 Java Project Loom 的核心特性。它们是一种轻量级的、用户态的线程实现，可以通过 Fiber API 进行创建、挂起、恢复和取消。与传统线程相比，Fibers 的创建和销毁成本较低，并且可以高效地复用线程资源，使得应用程序可以拥有数千甚至数百万个并发执行的 Fibers，而不会产生显著的内存开销。

2. 虚拟线程（Virtual Threads）

虚拟线程是由 JVM 管理的轻量级线程，与操作系统线程相比，它们的创建和上下文切换成本更低。这使得开发者可以轻松地创建数以百万计的线程，而不会像传统线程那样消耗大量的系统资源。它是一种对 Fibers 进行透明封装的机制。Virtual Threads 可以根据应用程序的需求来动态地创建和管理 Fibers，让开发者可以使用简单的编程模型处理大规模并发而无需担心线程管理细节。

以下是虚拟线程在不同场景下特别有用的几个方面：

1. I/O 密集型任务：虚拟线程非常适合 I/O 密集型任务或需要大量并行性的任务。当任务大部分时间都在等待 I/O 操作完成时，虚拟线程可以高效地通过少数线程去调度大量虚拟线程，从而最大化线程的执行效率。

2. 高并发服务器应用：服务器应用通常需要处理大量并发的客户端请求，这些请求往往涉及阻塞 I/O 操作。虚拟线程可以提供更高的吞吐量，因为它们可以在短时间内创建和销毁大量线程，而不会像传统线程那样消耗大量系统资源。

3. 异步操作：虚拟线程可以用来实现异步操作。由于它们的创建和销毁成本较低，可以在需要异步处理时，为每个任务创建一个虚拟线程，而不需要担心资源耗尽的问题。

4. 减少线程创建和销毁的开销：使用虚拟线程可以减少线程创建和销毁的开销。与传统线程相比，虚拟线程的创建和销毁更快，消耗的资源更少，这在需要频繁创建和销毁线程的场景中非常有用。

5. 提高系统性能和可伸缩性：虚拟线程可以提高系统的并发性和可伸缩性，尤其是在高并发环境下。它们允许开发者以同步的方式编写异步代码，从而简化异步编程的复杂性。

6. 改善响应时间和吞吐量：在某些配置下，使用虚拟线程可以显著降低响应时间并提高吞吐量，特别是在处理大量并发请求时。

7. 简化并发编程模型：虚拟线程提供了一种更简单的并发编程模型，允许开发者使用熟悉的线程编程接口，而不需要深入了解底层的并发和同步机制。

8. 减少资源竞争和锁的开销：由于虚拟线程的轻量级特性，可以减少传统线程模型中常见的资源竞争和锁的开销，从而提高程序的整体性能。

需要注意的是，虚拟线程并不适用于 CPU 密集型任务，因为它们在执行计算密集型操作时不会比传统线程表现得更好。此外，虚拟线程的调度和执行完全由 JVM 管理，这意味着开发者不需要（也不能）直接与操作系统的线程调度器交互。

3. 代码示例

以下是使用虚拟线程的一个简单示例：

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public class VirtualThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            System.out.println("Hello from virtual thread: " + Thread.currentThread());
        };
        // 创建并启动一个虚拟线程
        Thread virtualThread = Thread.ofVirtual().start(task);
        try {
            // 等待虚拟线程执行完成
            virtualThread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个示例中，我们使用 Thread.ofVirtual().start() 方法创建并启动了一个虚拟线程来执行给定的任务。这个线程是由 JVM 管理的轻量级线程，而不是由操作系统管理的传统线程。

4. 批量创建虚拟线程

虚拟线程的一个重要应用场景是高并发任务的处理。我们可以一次性创建大量虚拟线程来模拟高并发环境：

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import java.util.stream.IntStream;

public class BulkVirtualThreads {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            System.out.println("Running in virtual thread: " + Thread.currentThread());
        };
        // 批量创建并启动虚拟线程
        IntStream.range(0, 1000).forEach(i -> Thread.ofVirtual().start(task));
    }
}

5. 使用 ExecutorService 管理虚拟线程

与传统线程类似，我们可以使用 ExecutorService 来管理虚拟线程池：

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import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;

public class VirtualThreadExecutorService {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个虚拟线程的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        Runnable task = () -> {
            System.out.println("Task executed by: " + Thread.currentThread());
        };

        // 创建并提交任务
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executor.submit(task);
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

在这个示例中，我们使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 方法创建了一个虚拟线程池，每个提交的任务都会在一个新的虚拟线程中执行。

6. 注意事项

虽然虚拟线程非常轻量，但创建大量线程仍需注意系统资源的限制，如内存和 CPU。此外，调试和监控工具需要适配虚拟线程的特性。

虚拟线程（Virtual Threads）与常规线程（Platform Threads）相比，在性能上有几个显著的优势，但也存在一些局限性。以下是一些关键的性能考量：

1. 内存占用：虚拟线程的内存占用显著低于常规线程。由于虚拟线程是在 JVM 层面管理的，而不是由操作系统管理，因此它们不需要为每个线程分配大量的内存空间。这使得在处理大量并发任务时，虚拟线程可以显著减少内存的使用量。

2. 创建和销毁的开销：创建虚拟线程的开销远小于常规线程。常规线程的创建涉及到系统调用，这是一个相对昂贵的操作。虚拟线程的创建和销毁不需要系统调用，因此可以更快地进行，这在需要频繁创建和销毁线程的场景中尤其有用。

3. 上下文切换：虚拟线程由于是在 JVM 层面管理，因此它们的上下文切换开销也小于常规线程。这可以减少在高并发场景下的性能损耗。

4. 可伸缩性：虚拟线程允许创建更多的线程，从而提高了应用程序的可伸缩性。在某些情况下，虚拟线程可以支持“百万级”的线程数量，这对于需要处理大量并发连接的应用程序来说是一个巨大的优势。

5. 响应时间：在某些测试中，使用虚拟线程的应用程序在突然增加负载时，能够更快地达到最大吞吐量，这比使用传统线程池的应用程序要快。

6. CPU 密集型任务：对于 CPU 密集型任务，虚拟线程可能不会带来太大的性能提升。这是因为虚拟线程并不会让代码运行得更快，而且在某些情况下，由于虚拟线程的开销（如挂载和卸载操作、垃圾收集等），可能会导致性能下降。

7. IO 密集型任务：虚拟线程在 IO 密集型任务中表现更好，因为它们可以在等待 IO 操作完成时被挂起，而不会占用宝贵的操作系统线程资源。

8. 性能测试：在一些性能测试中，虚拟线程在处理高并发请求时，能够实现与常规线程相似甚至更好的吞吐量，同时具有更低的响应时间变异性。

总的来说，虚拟线程在处理大量并发的、IO 密集型的任务时，可以提供显著的性能提升，尤其是在内存占用和线程管理开销方面。然而，对于 CPU 密集型任务，虚拟线程可能不会带来太大的性能优势，甚至在某些情况下可能会因为额外的开销而降低性能。因此，是否使用虚拟线程，需要根据具体的应用场景和性能要求来决定。

Project Loom 为 Java 并发编程带来了新的可能性，是 Java 并发编程的一次重大变革。通过上述代码示例，你可以快速上手虚拟线程的编写和使用。希望这些信息能帮助你更好地理解和应用 Java 虚拟线程，提升你的并发编程能力。

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