虚拟线程与现代并发编程

传统线程模型的困境

在探讨虚拟线程之前,我们先来理解传统Java线程模型面临的挑战。

操作系统级别的线程实现主要有三种方式：

内核线程实现（1:1模型）：每个用户线程直接映射到一个内核线程，由操作系统内核负责调度。优点是充分利用多核处理器，缺点是创建、销毁和上下文切换的成本高。

用户线程实现（N:1模型）：多个用户线程映射到一个内核线程，线程调度完全在用户空间完成。优点是轻量高效，缺点是无法利用多核优势，一个线程阻塞会导致所有线程阻塞。

混合实现（M:N模型）：多个用户线程映射到少量内核线程，兼具前两种方式的优点，但实现复杂度高。

在JDK 21之前，Java主要采用1:1的线程模型，每个Java线程都对应一个操作系统的内核线程（在Windows和Linux等主流平台上）。这种设计虽然简单直接，但存在明显的限制：

创建成本高：创建线程需要分配内核资源，调用系统API，开销较大。

上下文切换开销：线程切换需要在用户态和内核态之间切换，保存和恢复寄存器状态，消耗CPU资源。

内存占用大：每个线程都需要分配独立的栈空间（通常1MB左右），大量线程会占用大量内存。

数量受限：受操作系统和硬件资源限制，单个JVM能创建的线程数量有上限（通常几千到几万）。

这些限制在高并发场景下尤为突出。例如，一个需要处理百万级并发连接的服务器，无法为每个连接分配一个平台线程。

虚拟线程（Virtual Thread）的概念对于熟悉Go、Python、Ruby等语言的开发者来说并不陌生——这就是协程（Coroutine）。

JDK 21正式引入虚拟线程，从根本上改变了Java的并发编程模式。虚拟线程是JVM实现的轻量级线程，它将多个虚拟线程映射到少量操作系统线程上，通过智能调度避免了传统线程的高昂开销。

虚拟线程采用M:N调度模型：

极低的创建成本：创建虚拟线程只需在堆上分配一个Java对象，无需系统调用，成本极低。

高效的内存使用：虚拟线程的栈是动态伸缩的，初始只有几KB，按需增长，内存占用远小于平台线程。

无上下文切换开销：虚拟线程的切换在用户空间完成，不涉及内核态切换，效率极高。

数量几乎无限：可以轻松创建百万级别的虚拟线程，只受JVM堆内存限制。

简化异步编程：可以用同步代码风格编写异步逻辑，无需复杂的回调和异步框架。