虛擬線程是輕量級線程（類似于 Go 中的 “協程（Goroutine）”），可以減少編寫、維護和調度高吞吐量并發應用程序的工作量。

線程是可供調度的最小處理單元，它與其他類似的處理單元并發運行，并且在很大程度上是獨立運行的。線程（java.lang.Thread）有兩種，平臺線程和虛擬線程。

一. Java內部線程實現模式

綠色線程（Green Thread）：遠古時期，Java使用綠色線程模式。這個模式下，多線程的調度和管理有JVM完成。綠色線程模式才作用M:1線程映射模型。這里就有一個問題，Java不能夠規模化管理這種線程，也就無法充分發揮硬件性能。同樣的實現綠色線程也是一件非常有挑戰性的事情，因為它需要非常底層的支持才能夠良好運行。隨后Java移除了綠色線程，轉而使用本地線程。這使得Java的線程執行比綠色線程更慢。

平臺線程（Platform Thread）：從Java 1.2開始從綠色線程切換到了平臺線程模式（有些人稱之為本地線程（Native Thread））。在操作系統的幫助下，JVM 得以控制平臺線程。平臺線程的執行效率很高，但是開啟和關閉他們的資源消耗較大。這就是為什么我們現在要使用線程池。這個模型遵循著 1:1 線程映射，即一個Java線程映射到一個內核線程。當一個Java線程被創建時，相應的一個對應的核心線程也會被創建，用來執行線程代碼。自此之后，平臺線程模型的做法就延續到了今天。

1.1 當前Java線程模型有什么問題嗎？

• 只是對于操作系統內核線程的一個簡單包裝，真正的線程調度，還是由操作系統完成；
• 因為線程的創建和銷毀都需要系統內核完成，涉及用戶態切換，資源消耗較大；
• 本地線程需要保存他們的調用棧在內存中，大概2MB~20MB的預留空間。如果你有4GB內存，如果每個線程占用20MB內存，那么你就只能創建大概200個線程；
• 因為本地線程是一種系統資源，加載一個新的本地線程大概需要1毫秒；
• 上下文切換代價昂貴，需要一個到內核的系統調用；
• 上面這些強制性的限制會限制線程創建的數量，同時會導致性能下降和過度的內存消耗。因為我們不能創建更多的線程；
• 我們不能通過增加更多的線程來增應用規模，因為上下文切換和內存占用的代價高昂；

1.2 一個IO密集型應用的例子

考慮一臺16GB內存的網絡服務器。對于每個服務請求，都分配一個不同的線程。我們假設每個線程需要20MB內存空間，那么這臺機器可以支持800個線程。當前，后端的API一般使用REST/SOAP調用方式，例如數據庫操作和API信息轉發這些IO密集型操作。由此可見，后端服務的主要是IO密集型而不是CPU密集型。

接著假設一下，一個IO操作需要100毫秒，請求執行（IO密集型）需要100毫秒，以及返回結果也需要100毫秒。同時，當每秒有800個請求時，線程數得到了最大容量。

讓我們來計算一下單個請求的CPU占用時間

CPU時間?。健≌埱鬁蕚鋾r間 +　返回結果準備時間
		＝　0.1ms +　0.1ms
		= 0.2ms

對于800個請求呢？

800個線程的請求時間= 800 * 0.2ms
				= 160ms 

受限于我們的內存容量，我們只能創建800個請求，也就導致了我們CPU使用率并不高

CPU使用率=160ms / 1000ms
		= 16%

那么如何才能使CPU的利用率到達90%呢？

16% = 800個線程
90% = X個線程
X = 4500

但是我們當前因為內存的限制不能創建那么多的線程，除非我們能突破這個限制，擁有90G內存。

90G的內存是一個比較離譜的數字，所以說創建本地線程很明顯不能充分利用硬件資源。

二. 虛擬線程

虛擬線程是一個Java線程的輕量級實現版本，最早于JDK19中出現，當前仍是預覽狀態，可以通過Jvm配置項開啟。

虛擬線程是JVM項目loom的一部分

虛擬線程解決了傳遞和維護本地線程的瓶頸問題，同時可以用之編寫高吞吐的并發應用，榨干硬件資源的潛力。

與本地線程不同，虛擬線程并不有操作系統控制，虛擬線程是一個有JVM管理的用戶態線程。對比于本地線程的高資源占用，每個虛擬線程只需要幾個字節的內存空間。這是的它更適合控制管理大量的用戶訪問，或者說處理IO密集型任務。

在創建虛擬線程的數量上幾乎沒有限制，甚至可以創建一百萬個，因為虛擬線程并不需要來自內核的系統調用。

在虛擬線程如此輕量化的條件下，線程池不再成為必須品，只需要在需要的時候盡情創建虛擬線程就好。

虛擬線程和傳統的本地線程操作完全兼容，例如本地線程變量，同步塊，線程中斷，等等。

2.1 虛擬線程如何工作

虛擬線程是一種輕量級（用戶模式）線程，這種線程是由Java虛擬機調度，而不是操作系統。虛擬線程占用空間小，任務切換開銷幾乎可以忽略不計，因此可以極大量地創建和使用。總體來看，虛擬線程實現如下：

virtual thread = continuation + scheduler

虛擬線程會把任務（一般是java.lang.Runnable）包裝到一個Continuation實例中：

• 當任務需要阻塞掛起的時候，會調用Continuation的yield操作進行阻塞
• 當任務需要解除阻塞繼續執行的時候，Continuation會被繼續執行

Scheduler也就是執行器，會把任務提交到一個載體線程池中執行：

• 執行器是java.util.concurrent.Executor的子類
• 虛擬線程框架提供了一個默認的ForkJoinPool用于執行虛擬線程任務

下文會把carrier thread稱為"載體線程"，指的是負責執行虛擬線程中任務的平臺線程，或者說運行虛擬線程的平臺線程稱為它的載體線程

操作系統調度系統線程，而Java平臺線程與系統線程一一映射，所以平臺線程被操作系統調度，但是虛擬線程是由JVM調度。JVM把虛擬線程分配給平臺線程的操作稱為mount（掛載），反過來取消分配平臺線程的操作稱為unmount（卸載）：

• mount操作：虛擬線程掛載到平臺線程，虛擬線程中包裝的Continuation棧數據幀或者引用棧數據會被拷貝到平臺線程的線程棧，這是一個從堆復制到棧的過程
• unmount操作：虛擬線程從平臺線程卸載，大多數虛擬線程中包裝的Continuation棧數據幀會留在堆內存中

這個mount -> run -> unmount過程用偽代碼表示如下：

mount();
try {
    Continuation.run();
} finally {
    unmount();
}

JVM 使用 M:N 來完成虛擬線程與本地線程的映射。

2.2 虛擬線程和線程池的異同

看上去虛擬線程和線程池有類似之處，都是利用M個內核線程，完成N個任務，而避免平臺線程頻繁的創建和銷毀。但他們是有本質區別的：

• 線程池中的正在執行的任務只有到任務執行完成后，才會釋放平臺線程，如果某個任務在執行過程中發生IO阻塞也不會被掛起執行其他任務。
• 虛擬線程中運行的代碼調用阻塞I/O操作時，Java運行時會掛起虛擬線程，然后切換到另一個可執行的虛擬線程，直到它可以恢復為止。

三. 虛擬線程的使用

官方提供了以下四種方式創建虛擬線程：

1. 使用 Thread.startVirtualThread() 創建
2. 使用 Thread.ofVirtual() 創建
3. 使用 ThreadFactory 創建

3.1 使用 Thread.startVirtualThread() 創建

public class VirtualThreadTest {
  public static void main(String[] args) {
    CustomThread customThread = new CustomThread();
    Thread.startVirtualThread(customThread);
  }
}

static class CustomThread implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
    System.out.println("CustomThread run");
  }
}

3.2 使用 Thread.ofVirtual()創建

public class VirtualThreadTest {
  public static void main(String[] args) {
    CustomThread customThread = new CustomThread();
    // 創建不啟動
    Thread unStarted = Thread.ofVirtual().unstarted(customThread);
    unStarted.start();
    // 創建直接啟動
    Thread.ofVirtual().start(customThread);
  }
}
static class CustomThread implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
    System.out.println("CustomThread run");
  }
}

3.3 使用 ThreadFactory 創建

public class VirtualThreadTest {
  public static void main(String[] args) {
    CustomThread customThread = new CustomThread();
    ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().factory();
    Thread thread = factory.newThread(customThread);
    thread.start();
  }
}

static class CustomThread implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
    System.out.println("CustomThread run");
  }
}

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