Java 提供了兩種線程機(jī)制：普通線程（平臺線程）和 虛擬線程。普通線程是 Java 中經(jīng)典的并發(fā)處理方式，而虛擬線程是隨著 Java 21 引入的新特性，旨在提升并發(fā)性能和開發(fā)體驗(yàn)。本文將詳細(xì)探討它們的區(qū)別，并幫助你理解如何在實(shí)際開發(fā)中利用這些機(jī)制。

一、什么是線程？

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，線程是程序執(zhí)行的最小單位。每個(gè)線程有自己獨(dú)立的棧和程序計(jì)數(shù)器，能夠獨(dú)立執(zhí)行代碼。Java 提供了多線程機(jī)制，使得多個(gè)線程可以并發(fā)地執(zhí)行任務(wù)，提高程序的響應(yīng)速度和處理能力。

普通線程，也稱為平臺線程，是直接映射到操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程。每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的資源（棧、寄存器等），并且受限于操作系統(tǒng)對線程的管理與調(diào)度。

二、普通線程的特點(diǎn)

1. 重量級線程：普通線程直接與操作系統(tǒng)線程綁定，因此是“重量級”線程。創(chuàng)建、銷毀線程需要操作系統(tǒng)分配資源，導(dǎo)致其成本較高。

2. 并發(fā)調(diào)度：操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)對所有普通線程進(jìn)行調(diào)度，這意味著線程數(shù)的增加會給系統(tǒng)帶來額外的上下文切換開銷，導(dǎo)致性能下降。

3. 阻塞問題：由于普通線程直接與操作系統(tǒng)內(nèi)核線程綁定，任何阻塞操作（如 I/O 操作）會導(dǎo)致線程被掛起，從而降低系統(tǒng)整體的吞吐量。

4. 線程池的使用：由于普通線程的高創(chuàng)建成本，開發(fā)者通常會使用線程池來管理線程，以避免頻繁創(chuàng)建和銷毀線程帶來的性能開銷。

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

三、虛擬線程的引入

隨著并發(fā)應(yīng)用需求的增長，Java 在 JDK 21 中引入了虛擬線程（Virtual Threads），也稱為輕量級線程。虛擬線程旨在解決普通線程存在的開銷高、并發(fā)受限的問題，從而簡化高并發(fā)場景下的編程模式。

虛擬線程本質(zhì)上是一個(gè)用戶級線程，獨(dú)立于操作系統(tǒng)的線程調(diào)度。虛擬線程由 Java 虛擬機(jī)（JVM）管理，創(chuàng)建和銷毀的開銷非常小，能夠并行執(zhí)行數(shù)百萬個(gè)線程。

四、虛擬線程的特點(diǎn)

1. 輕量級線程：虛擬線程是“輕量級”的，創(chuàng)建、銷毀和切換的成本非常低，允許開發(fā)者輕松創(chuàng)建數(shù)百萬個(gè)虛擬線程。相比之下，普通線程的數(shù)量受限于操作系統(tǒng)資源。

2. 非阻塞模型：虛擬線程能夠非阻塞地處理任務(wù)，即使線程被阻塞，JVM 也可以在另一個(gè)內(nèi)核線程上繼續(xù)調(diào)度其他虛擬線程，從而最大化 CPU 利用率。

   Thread.startVirtualThread(() -> {// 虛擬線程中的任務(wù)System.out.println("Running in a virtual thread");
   });
   

3. 資源節(jié)約：由于虛擬線程使用的資源較少，它們可以顯著減少內(nèi)存和 CPU 的消耗，特別是在高并發(fā)的 I/O 密集型任務(wù)中表現(xiàn)出色。

4. 可伸縮性：虛擬線程非常適合處理大量短時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)，這使得它們在高并發(fā)系統(tǒng)中具有更好的擴(kuò)展性和可伸縮性。

5. 自動(dòng)調(diào)度：JVM 會自動(dòng)調(diào)度虛擬線程到內(nèi)核線程上，開發(fā)者不再需要手動(dòng)配置線程池，這極大地簡化了多線程編程。

   虛擬線程的出現(xiàn)將 Java 線程模型的設(shè)計(jì)思路從原來的“少而精”變?yōu)椤岸喽p”，使得每個(gè)任務(wù)都可以擁有自己的獨(dú)立線程，而無需考慮線程資源的限制。

五、普通線程與虛擬線程的區(qū)別

特性	普通線程	虛擬線程
創(chuàng)建成本	高，需要操作系統(tǒng)分配內(nèi)核資源	低，由 JVM 輕量管理
數(shù)量限制	受限于操作系統(tǒng)資源	可以創(chuàng)建數(shù)百萬個(gè)虛擬線程
阻塞行為	阻塞會占用操作系統(tǒng)線程	阻塞時(shí)，JVM 自動(dòng)調(diào)度其他任務(wù)
上下文切換成本	高，涉及內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)切換	低，全部在用戶態(tài)完成
適用場景	適合長時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)	適合高并發(fā)的短期任務(wù)
資源消耗	需要大量的內(nèi)存和 CPU 資源	極大節(jié)省資源，尤其是在 I/O 密集型任務(wù)中
調(diào)度機(jī)制	由操作系統(tǒng)調(diào)度	由 JVM 管理和調(diào)度

六、使用虛擬線程的實(shí)際案例

在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬線程特別適合需要處理大量 I/O 操作的高并發(fā)場景。比如處理高并發(fā) HTTP 請求，傳統(tǒng)的線程池模型可能需要精心設(shè)計(jì)，而使用虛擬線程，開發(fā)者可以輕松啟動(dòng)數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個(gè)線程來處理每個(gè)請求。

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();
}

在這個(gè)例子中，服務(wù)器為每個(gè)請求啟動(dòng)一個(gè)虛擬線程，從而消除了線程池的復(fù)雜性。

七、虛擬線程的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

優(yōu)勢：

• 簡化并發(fā)編程：虛擬線程消除了開發(fā)者對線程池的依賴，能夠以同步的方式編寫代碼，而不犧牲性能。
• 更高的并發(fā)能力：虛擬線程允許更高數(shù)量的并發(fā)處理，尤其適用于 I/O 密集型任務(wù)。
• 更低的系統(tǒng)資源占用：相比普通線程，虛擬線程占用的內(nèi)存和 CPU 資源極少，可以在資源受限的環(huán)境中運(yùn)行。

挑戰(zhàn)：

• 生態(tài)系統(tǒng)支持：雖然 Java 已經(jīng)開始引入虛擬線程，但一些現(xiàn)有的 Java 框架和庫可能還需要一段時(shí)間才能完全兼容虛擬線程。
• 性能調(diào)優(yōu)：盡管虛擬線程減少了創(chuàng)建和切換線程的開銷，但在高密集 CPU 任務(wù)場景下，虛擬線程的調(diào)度仍然需要謹(jǐn)慎調(diào)優(yōu)。

八、總結(jié)

虛擬線程的引入為 Java 開發(fā)帶來了革命性的變化，特別是在高并發(fā)和 I/O 密集型場景中。與傳統(tǒng)的普通線程相比，虛擬線程提供了更低的創(chuàng)建成本、更高的可伸縮性，并且簡化了多線程編程模式。

在實(shí)際項(xiàng)目中，開發(fā)者可以根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜性和并發(fā)需求，靈活選擇使用普通線程還是虛擬線程。普通線程仍然適用于長時(shí)間運(yùn)行的 CPU 密集型任務(wù)，而虛擬線程則是處理高并發(fā)、短期任務(wù)的最佳選擇。隨著 Java 虛擬線程的成熟，未來多線程編程將變得更加簡潔、高效。