Java 虚拟线程实现革命性突破，其并发性能较传统线程提升约 70 倍！

在Java并发编程中，线程一直是一个核心概念。随着Java 21的发布，引入了一个激动人心的新特性：虚拟线程。本文将通过代码示例和性能测试，深入比较传统线程和虚拟线程的差异，并分析它们在高并发场景下的表现。

传统线程vs虚拟线程：主要差异

实现方式
- 传统线程：直接映射到操作系统线程，每个线程都占用较多系统资源。
- 虚拟线程：由JVM管理的轻量级线程，不直接映射到操作系统线程。
资源消耗
- 传统线程：创建和销毁成本高，每个线程需要独立的栈空间。
- 虚拟线程：创建和销毁成本极低，可以创建大量虚拟线程而不会耗尽系统资源。
并发能力
- 传统线程：受系统资源限制，通常只能创建数千个线程。
- 虚拟线程：可以创建数百万个虚拟线程，大大提高并发处理能力。
调度方式
- 传统线程：由操作系统调度。
- 虚拟线程：由JVM调度，使用协作式调度模型。
适用场景
- 传统线程：适合CPU密集型任务。
- 虚拟线程：特别适合I/O密集型任务，如网络操作或数据库访问。

性能测试代码

以下是我们用于比较传统线程和虚拟线程性能的Java代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadComparisonApplication {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 设置要执行的任务数量
        int taskCount = 100000;

        // 开始测试传统线程
        System.out.println("正在使用传统线程执行任务...");
        // 执行传统线程测试并记录耗时
        long traditionalTime = executeWithTraditionalThreads(taskCount);
        // 输出传统线程的执行时间
        System.out.println("传统线程完成任务，耗时 " + formatTime(traditionalTime));

        // 开始测试虚拟线程
        System.out.println("\n正在使用虚拟线程执行任务...");
        // 执行虚拟线程测试并记录耗时
        long virtualTime = executeWithVirtualThreads(taskCount);
        // 输出虚拟线程的执行时间
        System.out.println("虚拟线程完成任务，耗时 " + formatTime(virtualTime));

        // 计算两种线程执行时间的差异
        long timeDifference = traditionalTime - virtualTime;
        // 输出性能差异和速度提升倍数
        System.out.println("\n性能差异：" + formatTime(timeDifference) +
                " (" + String.format("%.2f", (double)traditionalTime / virtualTime) + " 倍速度提升)");
    }

    // 使用传统线程执行任务的方法
    private static long executeWithTraditionalThreads(int taskCount) throws InterruptedException {
        // 记录开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();
        // 创建一个固定大小为100的线程池
        try (ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100)) {
            // 提交taskCount个任务到线程池
            for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
                executor.submit(ThreadComparisonApplication::simulateWork);
            }
            // 关闭线程池，不再接受新任务
            executor.shutdown();
            // 等待所有任务完成，最多等待1小时
            executor.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);
        }
        // 计算并返回总耗时
        return System.currentTimeMillis() - start;
    }

    // 使用虚拟线程执行任务的方法
    private static long executeWithVirtualThreads(int taskCount) throws InterruptedException {
        // 记录开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();
        // 创建一个虚拟线程执行器
        try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
            // 提交taskCount个任务到虚拟线程执行器
            for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
                executor.submit(ThreadComparisonApplication::simulateWork);
            }
            // 关闭执行器，不再接受新任务
            executor.shutdown();
            // 等待所有任务完成，最多等待1小时
            executor.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);
        }
        // 计算并返回总耗时
        return System.currentTimeMillis() - start;
    }

    // 模拟工作负载的方法
    private static void simulateWork() {
        try {
            // 模拟一个耗时100毫秒的I/O操作
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            // 如果线程被中断，重新设置中断状态
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    // 格式化时间的方法，将毫秒转换为更易读的格式
    private static String formatTime(long milliseconds) {
        // 返回格式化的字符串，同时显示毫秒数和秒数（保留两位小数）
        return String.format("%d 毫秒 (%.2f 秒)", milliseconds, milliseconds / 1000.0);
    }
}

这段代码模拟了一个包含100,000个任务的场景，每个任务休眠100毫秒来模拟I/O操作。我们分别使用传统线程池和虚拟线程执行器来运行这些任务，并比较它们的执行时间。

测试结果

运行上述代码，我们得到了以下结果：

结果分析

执行时间：
- 传统线程：约108.68秒
- 虚拟线程：约1.59秒
性能提升：
- 虚拟线程比传统线程快了约68.40倍。
并发处理能力：
- 传统线程池限制为100个线程，导致任务需要分批处理。
- 虚拟线程能够同时处理所有100,000个任务，显著减少了总执行时间。
资源利用：
- 虚拟线程更有效地利用了系统资源，特别是在处理I/O密集型任务时。

总结

显著的性能优势：在这个I/O密集型的测试场景中，虚拟线程展现出了压倒性的性能优势，执行速度提升了近60倍。
适用于高并发场景：虚拟线程特别适合处理大量并发的I/O操作，如网络请求或数据库访问。
资源效率：虚拟线程能更有效地利用系统资源，允许创建大量并发任务而不会耗尽系统资源。
编程模型简化：虚拟线程允许开发者使用简单的同步编程模型，同时获得异步的性能优势。
注意事项：
- 虽然虚拟线程在I/O密集型任务中表现出色，但对于CPU密集型任务，其优势可能不会那么明显。
- 在实际应用中，应根据具体的用例和负载特征来选择合适的线程模型。
未来展望：虚拟线程为Java并发编程带来了新的可能性，特别是在构建高度可伸缩的服务和应用程序方面。随着这项技术的成熟和广泛采用，我们可以期待看到更多优化和最佳实践的出现。

总的来说，虚拟线程代表了Java并发编程的一个重要进步。它不仅提供了显著的性能提升，还简化了并发编程模型。对于构建现代、高效、可伸缩的Java应用程序来说，虚拟线程无疑是一个强大的工具。

posted @ 2025-01-13 00:04 熊文豪1 阅读(22) 评论(0) 收藏举报来源

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