Java 21 新特性之虚拟线程（Virtual Threads）-CFANZ编程社区

Java 21 引入了 虚拟线程（Virtual Threads），这是 Project Loom 的核心特性之一。虚拟线程是轻量级的线程实现，旨在简化并发编程并显著提高应用程序的可伸缩性。它们让开发者能够以更高效的方式编写高并发程序，同时保持代码的简洁性和易读性。

什么是虚拟线程？

虚拟线程是一种用户态线程（User-mode Thread），由 Java 运行时（JVM）管理，而不是直接映射到操作系统线程（Kernel Threads）。与传统的平台线程（Platform Threads）相比，虚拟线程具有以下特点：

轻量级：虚拟线程占用的资源非常少，可以轻松创建数百万个虚拟线程。
自动调度：虚拟线程由 JVM 调度，开发者无需手动管理线程池或线程生命周期。
无阻塞设计：当虚拟线程遇到阻塞操作（如 I/O 或锁）时，它不会阻塞底层的操作系统线程，而是将控制权交还给调度器。

通过虚拟线程，Java 开发者可以用同步方式编写异步代码，从而避免复杂的回调或 Future/Promise 模式。

虚拟线程的基本用法

1. 创建和启动虚拟线程

使用 Thread.startVirtualThread() 方法可以直接启动一个虚拟线程。

Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Hello from a virtual thread!");
});

2. 使用虚拟线程池

虽然虚拟线程本身是轻量级的，但你仍然可以使用现有的线程池 API 来管理它们。例如，Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 提供了一个基于虚拟线程的任务执行器。

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        int taskId = i;
        executor.submit(() -> {
            System.out.println("Task " + taskId + " is running on thread " + Thread.currentThread());
            return taskId;
        });
    }
}

注意：newVirtualThreadPerTaskExecutor() 会为每个任务分配一个新的虚拟线程，并在任务完成后自动关闭。

虚拟线程的优势

更高的并发能力

传统线程受限于操作系统线程的数量（通常每台机器只能支持几千个线程），而虚拟线程可以轻松支持数百万个并发任务。
适合处理大量 I/O 密集型任务，例如网络请求、数据库查询等。

更简洁的代码

使用虚拟线程后，开发者可以用同步方式编写代码，而无需显式地处理异步逻辑（如回调、Future 等）。
示例：

// 使用虚拟线程的同步代码
void handleRequest() throws IOException {
    String data = fetchDataFromDatabase();
    process(data);
}

String fetchDataFromDatabase() throws IOException {
    // 模拟阻塞 I/O
    Thread.sleep(1000);
    return "data";
}

减少线程池管理的复杂性

在传统并发编程中，开发者需要手动管理线程池大小、任务队列等，而虚拟线程不需要这些额外的配置。
JVM 会根据工作负载动态调整虚拟线程的数量。

更好的调试体验

虚拟线程的堆栈跟踪更加直观，调试起来更容易，因为每个虚拟线程都有独立的调用栈。

虚拟线程的工作原理

虚拟线程的核心思想是将任务与操作系统线程解耦。以下是其工作原理的简要说明：

映射到平台线程：

虚拟线程并不直接绑定到操作系统线程，而是由 JVM 动态调度到少量的平台线程上运行。
当虚拟线程执行阻塞操作时，它会释放底层的平台线程，允许其他虚拟线程继续运行。

非阻塞调度：

如果虚拟线程遇到阻塞操作（如 I/O 或锁），JVM 会将其挂起，并将平台线程分配给其他虚拟线程。
阻塞操作完成后，虚拟线程会被重新调度到某个平台线程上继续执行。

轻量级上下文切换：

虚拟线程的上下文切换由 JVM 实现，比操作系统的线程切换开销更低。

虚拟线程与传统线程的区别

特性	传统线程（Platform Threads）	虚拟线程（Virtual Threads）
映射到 OS 线程	1:1	N:M（多个虚拟线程共享少量 OS 线程）
资源消耗	较高	极低
创建数量限制	几千个	数百万个
阻塞行为	阻塞 OS 线程	不阻塞 OS 线程
编程模型	复杂（需手动管理线程池）	简单（同步代码即可）

适用场景

I/O 密集型应用：

虚拟线程非常适合处理大量的 I/O 操作，例如 Web 服务器、数据库连接池、文件读写等。

微服务架构：

在微服务中，虚拟线程可以显著提升并发能力，尤其是在处理大量 HTTP 请求时。

简化异步编程：

使用虚拟线程后，开发者可以用同步方式编写异步逻辑，从而避免复杂的回调或 Future/Promise 模式。

替代传统线程池：

对于传统的线程池场景，虚拟线程提供了一种更简单、更高效的替代方案。

示例：Web 服务器中的虚拟线程

以下是一个简单的 Web 服务器示例，展示了如何使用虚拟线程处理并发请求：

import com.sun.net.httpserver.HttpServer;

import java.io.OutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;

public class VirtualThreadWebServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        HttpServer server = HttpServer.create(new InetSocketAddress(8080), 0);
        server.createContext("/hello", exchange -> {
            Thread.startVirtualThread(() -> {
                try {
                    String response = "Hello, Virtual Threads!";
                    exchange.sendResponseHeaders(200, response.getBytes().length);
                    OutputStream os = exchange.getResponseBody();
                    os.write(response.getBytes());
                    os.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        });
        server.setExecutor(null); // 使用默认的虚拟线程执行器
        server.start();
        System.out.println("Server started on port 8080");
    }
}

解释：