JDK19 - Virtual Thread 虚拟线程探究

背景
一. 虚拟线程简介
二. 虚拟线程和平台线程对比（JConsole）
三. 虚拟线程注意事项

背景

JDK19中，推出了一个新特性：Virtual Thread 虚拟线程。它是一种轻量级线程，由Java虚拟机实现，可以在同一个线程中执行多个任务，从而减少线程切换的开销，主要用来提高应用程序的性能和吞吐量。

一. 虚拟线程简介

先说下我们一般 JDK8 开发过程中使用到的线程，这部分线程我们称之为平台线程（为的就是和虚拟线程做区分）。平台线程在底层操作系统线程上运行 Java 代码，并在代码的整个生命周期中捕获操作系统线程。

但是在JDK19当中的虚拟线程，他们则是用户模式线程。即由应用程序自己实现和管理的，而不是由操作系统内核实现和管理。

1.1 线程术语

操作系统线程（OS Thread）：由操作系统管理的“类似线程”的数据结构。
平台线程（Platform Thread）：在虚线程概念出来前，java.Lang.Thread类的每个实例，都是一个平台线程，是操作系统线程的包装。
虚拟线程（Virtual Thread）：一种轻量级，由JVM管理的线程。对应java.lang.VirtualThread这个类。
载体线程（Carrier Thread）：一个命名约定，Java中不存在相应的类，是虚拟线程的一个载体线程。一个虚拟线程倘若装载到一个平台线程之后，那么这个平台线程就可以称之为虚拟线程的一个载体线程。

注意点（重要）：

创建平台线程，就回创建操作系统线程。若阻塞平台线程，同样会阻塞操作系统线程。
虚拟线程不能直接执行，需要装载（Mount）到平台线程，依靠平台线程执行任务。
倘若虚拟线程发生了阻塞，会从平台线程上卸载（Unount），达到不影响平台线程的目的。

1.2 虚拟线程的启动方式

虚拟线程是一个预览API，默认情况下被禁用，如果要使用虚拟线程，则需要添加对应的参数设置。 如图：
在这里插入图片描述
Idea里面添加参数（注意！别忘了使用JDK19来开发）：

--enable-preview

如图：
在这里插入图片描述

由于虚拟线程在设计的时候，其地位就是和其他普通线程同级的。因此为了方便，相关的API也在Thread类下面。

1.1.1 通过 Thread.startVirtualThread() 创建

@org.junit.Test
public void testStartVirtualThread() {
    Thread.startVirtualThread(() -> System.out.println("hello"));
}

1.1.2 通过 Thread.ofVirtual() 创建

@org.junit.Test
public void testOfVirtual(){
    // 创建一个虚拟线程，但是不启动
    Thread unStarted = Thread.ofVirtual().unstarted(() -> System.out.println("hello"));
    unStarted.start();
    // 创建一个虚拟线程并启动
    Thread.ofVirtual().start(() -> System.out.println("hello2"));
}

1.1.3 通过 ThreadFactory 创建

@org.junit.Test
public void testThreadFactory(){
    // 创建一个虚拟线程，但是不启动
    ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().factory();
    Thread t = factory.newThread(() -> System.out.println("hello"));
    t.start();
}

1.1.4 通过 newVirtualThreadPerTaskExecutor() 创建

@org.junit.Test
public void testVirtualThreadPerTaskExecutor() throws Exception {
    ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
    executor.submit(() -> System.out.println("hello"));
}

二. 虚拟线程和平台线程对比（JConsole）

我们用 JConsole 来简单对比一下。只要你本地机器正确安装了JDK，就会默认安装对应版本的JConsole。如果你是Windows，cmd一下，输入以下命令：

jconsole

输入完毕就会弹出旁边的窗口：
在这里插入图片描述
我们可以看到，这里有两种连接方式：

本地进程：已经在跑的进程。
远程进程：手动连接对应的进程。适合我们这种写UT去测试的。

2.1 JConsole 使用

我们这里采用第二种方式连接。那么远程的地址、端口号、用户名和口令我们又是哪里设置呢？我们可以在UT的编辑页面，添加以下参数：

-Djava.rmi.server.hostname=127.0.0.1 -Dcom.sun.management.jmxremote -Dcom.sun.management.jmxremote.port=8888 -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false

如图：
在这里插入图片描述
对应参数解释如下：

-Djava.rmi.server.hostname=127.0.0.1 ：服务器端的ip地址。
-Dcom.sun.management.jmxremote ：设置JVM允许远程jmx进行调用查看
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=8888 ：此为运行服务的端口。
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false ： ssl协议关闭。
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false ：是否登录验证。直接 false 走起，不校验。

在给对应的UT添加完运行参数之后，就可以执行啦。然后在JConsole控制台中输入地址：

127.0.0.1:8888

如图：
在这里插入图片描述
点击连接之后，可能会弹出下面的框：

点击不安全的连接即可。

这次我们准备用两种线程去做一个任务：

启动100000个任务，每个任务睡眠1秒钟。

我们先写一个自定义的任务：

public class Task implements Callable<Integer> {
    private final int number;

    public Task(int number) {
        this.number = number;
    }

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.printf("Thread %s - Task %d waiting...%n", Thread.currentThread().getName(), number);
        try {
            Thread.sleep(1000);
            return 1;
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.printf("Thread %s - Task %d canceled.%n", Thread.currentThread().getName(), number);
        }
        System.out.printf("Thread %s - Task %d finished.%n", Thread.currentThread().getName(), number);
        return ThreadLocalRandom.current().nextInt(100);
    }
}

2.2 平台线程测试

我们对应代码如下：

@org.junit.Test
public void test2() throws Exception {
	// 睡眠20秒，是为了让你有足够的时间，去连接JConsole。觉得自己手速慢的可以调久一点
    TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
    AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (var executor = Executors.newCachedThreadPool()) {
        IntStream.range(0, 100000).forEach(i -> {
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("参数" + (count.getAndIncrement()));
                Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
                return i;
            });
        });
    }
    System.out.println("耗时" + (System.currentTimeMillis() - start));
    System.in.read();
}

结果：
在这里插入图片描述

总耗时：10秒
在这里插入图片描述

2.3 虚拟线程测试

@org.junit.Test
public void test1() throws Exception {
    TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
    AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
        IntStream.range(0, 100000).forEach(i -> {
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("参数" + (count.getAndIncrement()));
                Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
                return i;
            });
        });
    }
    System.out.println("耗时" + (System.currentTimeMillis() - start));
    System.in.read();
}

结果如下：
在这里插入图片描述

耗时：3秒
在这里插入图片描述

2.4 平台线程和虚拟线程对比

对比一下两者的细节部分。首先是线程数：

平台线程：峰值14525个
虚拟线程：峰值35个。

内存：

平台线程：CPU阶段性的上升
虚拟线程：CPU一下子飙升，然后再迅速回落。

程序的执行速度上：

平台线程：10.5秒。
虚拟线程：3.2秒。

内存的占用上：

平台线程：大概在150M。
虚拟线程：大概在372M。

总结下就是：

CPU利用率上，虚拟线程更占优。同时虚拟线程的吞吐量要更高一点。试想一下我们正常代码中，往往会设置线程池的活跃线程数。那这里就会限制了吞吐量。而虚拟线程的吞吐量就非常高。
虚拟线程的吞吐量高，因此整个任务的执行速度就变快了。
虚拟线程的内存占用要更高。因为虚拟线程是JDK在用户模式实现，所以需要更复杂的数据结构去实现，而传统线程，则依赖于操作系统，所以JVM的内存占用就少了。

三. 虚拟线程注意事项

虚拟线程可以显著提高程序的吞吐量（而不是提升运行速度），因此适合任务数高或者IO密集型的场景。
虚拟线程的相关API都是预览特性，生产环境需要添加对应的参数才可执行。
虚拟线程是JVM级别的线程，由JVM调度，因此非常轻量级，使用完后立即被销毁，即不需要像平台线程一样使用池化。

虚拟线程似乎并没有什么API可以限制线程的数量，跟线程池的活跃线程数、队列、最大线程数相似。那怎么办呢？

回答：

结合信号量进行控制，避免虚拟线程数量太高，导致内存占用太大。

后面会实战演练一下，改造下公司的一个Job项目。我们这个项目是专门跑不同的Job的，而这类项目具有潮汐特性：即在某些情况下，定时任务可能会在同一时间内集中执行，而在其他时间内则相对较少或不执行的现象。 正好适合虚拟线程的一个改造，提高吞吐量

改造之后，会对比改造前后的CPU利用率等相关信息。看下虚拟线程给我们带来的利益有多少。