线程 vs 虚拟线程：深入理解及区别

Java 提供了两种线程机制：普通线程（平台线程）和 虚拟线程。普通线程是 Java 中经典的并发处理方式，而虚拟线程是随着 Java 21 引入的新特性，旨在提升并发性能和开发体验。本文将详细探讨它们的区别，并帮助你理解如何在实际开发中利用这些机制。

一、什么是线程？

在计算机科学中，线程是程序执行的最小单位。每个线程有自己独立的栈和程序计数器，能够独立执行代码。Java 提供了多线程机制，使得多个线程可以并发地执行任务，提高程序的响应速度和处理能力。

普通线程，也称为平台线程，是直接映射到操作系统的内核线程。每个线程都有自己独立的资源（栈、寄存器等），并且受限于操作系统对线程的管理与调度。

二、普通线程的特点

1. 重量级线程：普通线程直接与操作系统线程绑定，因此是“重量级”线程。创建、销毁线程需要操作系统分配资源，导致其成本较高。

2. 并发调度：操作系统负责对所有普通线程进行调度，这意味着线程数的增加会给系统带来额外的上下文切换开销，导致性能下降。

3. 阻塞问题：由于普通线程直接与操作系统内核线程绑定，任何阻塞操作（如 I/O 操作）会导致线程被挂起，从而降低系统整体的吞吐量。

4. 线程池的使用：由于普通线程的高创建成本，开发者通常会使用线程池来管理线程，以避免频繁创建和销毁线程带来的性能开销。

   ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
   for (int i = 0; i < 100; i++) {executor.submit(() -> {System.out.println("Running task");});
   }
   executor.shutdown();
   

三、虚拟线程的引入

随着并发应用需求的增长，Java 在 JDK 21 中引入了虚拟线程（Virtual Threads），也称为轻量级线程。虚拟线程旨在解决普通线程存在的开销高、并发受限的问题，从而简化高并发场景下的编程模式。

虚拟线程本质上是一个用户级线程，独立于操作系统的线程调度。虚拟线程由 Java 虚拟机（JVM）管理，创建和销毁的开销非常小，能够并行执行数百万个线程。

四、虚拟线程的特点

1. 轻量级线程：虚拟线程是“轻量级”的，创建、销毁和切换的成本非常低，允许开发者轻松创建数百万个虚拟线程。相比之下，普通线程的数量受限于操作系统资源。

2. 非阻塞模型：虚拟线程能够非阻塞地处理任务，即使线程被阻塞，JVM 也可以在另一个内核线程上继续调度其他虚拟线程，从而最大化 CPU 利用率。

   Thread.startVirtualThread(() -> {// 虚拟线程中的任务System.out.println("Running in a virtual thread");
   });
   

3. 资源节约：由于虚拟线程使用的资源较少，它们可以显著减少内存和 CPU 的消耗，特别是在高并发的 I/O 密集型任务中表现出色。

4. 可伸缩性：虚拟线程非常适合处理大量短时间运行的任务，这使得它们在高并发系统中具有更好的扩展性和可伸缩性。

5. 自动调度：JVM 会自动调度虚拟线程到内核线程上，开发者不再需要手动配置线程池，这极大地简化了多线程编程。

   虚拟线程的出现将 Java 线程模型的设计思路从原来的“少而精”变为“多而轻”，使得每个任务都可以拥有自己的独立线程，而无需考虑线程资源的限制。

五、普通线程与虚拟线程的区别

特性	普通线程	虚拟线程
创建成本	高，需要操作系统分配内核资源	低，由 JVM 轻量管理
数量限制	受限于操作系统资源	可以创建数百万个虚拟线程
阻塞行为	阻塞会占用操作系统线程	阻塞时，JVM 自动调度其他任务
上下文切换成本	高，涉及内核态和用户态切换	低，全部在用户态完成
适用场景	适合长时间运行的任务	适合高并发的短期任务
资源消耗	需要大量的内存和 CPU 资源	极大节省资源，尤其是在 I/O 密集型任务中
调度机制	由操作系统调度	由 JVM 管理和调度

六、使用虚拟线程的实际案例

在实际应用中，虚拟线程特别适合需要处理大量 I/O 操作的高并发场景。比如处理高并发 HTTP 请求，传统的线程池模型可能需要精心设计，而使用虚拟线程，开发者可以轻松启动数十万甚至数百万个线程来处理每个请求。

try (var server = HttpServer.create()) {server.createContext("/echo", exchange -> {var body = exchange.getRequestBody().readAllBytes();exchange.sendResponseHeaders(200, body.length);exchange.getResponseBody().write(body);});server.start();
}

在这个例子中，服务器为每个请求启动一个虚拟线程，从而消除了线程池的复杂性。

七、虚拟线程的优势与挑战

优势：

• 简化并发编程：虚拟线程消除了开发者对线程池的依赖，能够以同步的方式编写代码，而不牺牲性能。
• 更高的并发能力：虚拟线程允许更高数量的并发处理，尤其适用于 I/O 密集型任务。
• 更低的系统资源占用：相比普通线程，虚拟线程占用的内存和 CPU 资源极少，可以在资源受限的环境中运行。

挑战：

• 生态系统支持：虽然 Java 已经开始引入虚拟线程，但一些现有的 Java 框架和库可能还需要一段时间才能完全兼容虚拟线程。
• 性能调优：尽管虚拟线程减少了创建和切换线程的开销，但在高密集 CPU 任务场景下，虚拟线程的调度仍然需要谨慎调优。

八、总结

虚拟线程的引入为 Java 开发带来了革命性的变化，特别是在高并发和 I/O 密集型场景中。与传统的普通线程相比，虚拟线程提供了更低的创建成本、更高的可伸缩性，并且简化了多线程编程模式。

在实际项目中，开发者可以根据任务的复杂性和并发需求，灵活选择使用普通线程还是虚拟线程。普通线程仍然适用于长时间运行的 CPU 密集型任务，而虚拟线程则是处理高并发、短期任务的最佳选择。随着 Java 虚拟线程的成熟，未来多线程编程将变得更加简洁、高效。