Redmi Pad評(píng)測(cè)：紅米充滿野心的一次嘗試
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Hello folks，我是 Luga，今天我們來(lái)聊一下 Java 生態(tài)的核心技術(shù)—— Java Virtual Threads，即 “Java 虛擬線程” 。
虛擬線程是 Java 中的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新，在 Project Loom 項(xiàng)目中開發(fā)的。自從 Java 19 開始作為預(yù)覽功能引入，到 Java 21 以后成為正式版本(JEP 444)，虛擬線程已經(jīng)成為 JDK 的一部分。
眾所周知，JVM 是一個(gè)多線程環(huán)境，通過 java.lang.Thread 類型為我們提供了對(duì)操作系統(tǒng)線程的抽象。在 Project Loom 之前，JVM 中的每個(gè)線程都只是對(duì)操作系統(tǒng)線程的一種簡(jiǎn)單封裝，我們可以稱之為“平臺(tái)線程”。
然而，所謂的“平臺(tái)線程”，在某些特定的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，往往存在一些問題，從多個(gè)角度來(lái)看，它們都是昂貴的。首先，創(chuàng)建平臺(tái)線程的成本很高。每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)平臺(tái)線程時(shí)，操作系統(tǒng)必須在堆棧中分配大量?jī)?nèi)存(以兆字節(jié)計(jì))來(lái)存儲(chǔ)線程的上下文、原生調(diào)用堆棧和 Java 調(diào)用堆棧。由于堆棧大小是固定的，這就導(dǎo)致了高昂的內(nèi)存開銷。此外，每當(dāng)調(diào)度器對(duì)線程進(jìn)行搶占式調(diào)度時(shí)，也需要移動(dòng)大量的內(nèi)存。
因此，我們可以想象，這在空間和時(shí)間上都是非常昂貴的操作。實(shí)際上，由于堆?？蚣艿木薮蟪叽缦拗?，我們對(duì)可創(chuàng)建的線程數(shù)量也存在限制。在 Java 中，我們很容易遇到 OutOfMemoryError，只需不斷實(shí)例化新的平臺(tái)線程，直到操作系統(tǒng)的內(nèi)存耗盡為止。
private static void stackOverFlowErrorExample() { for (int i = 0; i < 100_000; i++) { new Thread(() -> { try { Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1L)); } catch (InterruptedException e) { throw new RuntimeException(e); } }).start(); }}由于平臺(tái)線程的創(chuàng)建成本較高，每個(gè)線程需要分配一定數(shù)量的堆棧內(nèi)存，因此在某些情況下，如果我們不斷實(shí)例化新的平臺(tái)線程，直到操作系統(tǒng)的內(nèi)存耗盡，就有可能迅速觸發(fā) OutOfMemoryError。
然而，這個(gè)過程的確切時(shí)間取決于多個(gè)因素，包括可用的內(nèi)存大小、操作系統(tǒng)的線程限制以及 JVM 的配置。如果可用的內(nèi)存較小，同時(shí) JVM 的堆大小也較小，那么在不斷實(shí)例化新的平臺(tái)線程時(shí)，很可能會(huì)很快達(dá)到內(nèi)存的極限，導(dǎo)致 OutOfMemoryError 的發(fā)生。
[0.949s][warning][os,thread] Failed to start thread "Unknown thread" - pthread_create failed (EAGAIN) for attributes: stacksize: 1024k, guardsize: 4k, detached.[0.949s][warning][os,thread] Failed to start the native thread for java.lang.Thread "Thread-4073"Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread: possibly out of memory or process/resource limits reached上述示例展示了我們?nèi)绾位诋?dāng)前的受到限制的環(huán)境中進(jìn)行并發(fā)編程。
然而，Java 自從問世以來(lái)一直致力于成為一種簡(jiǎn)單易用的編程語(yǔ)言。在并發(fā)編程領(lǐng)域，我們應(yīng)該像編寫順序代碼一樣編寫程序。事實(shí)上，在 Java 中，為每個(gè)并發(fā)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)新線程是編寫并發(fā)程序更簡(jiǎn)單的方法之一。這種模型被稱為"每個(gè)線程一個(gè)任務(wù)"。
接下來(lái)，我們來(lái)看一下虛擬線程內(nèi)部架構(gòu)，具體如下所示：
使用這種方法，每個(gè)線程可以使用自己的局部變量來(lái)存儲(chǔ)信息，從而大大減少了共享可變狀態(tài)的需求。線程之間共享狀態(tài)是并發(fā)編程中眾所周知的"棘手部分"。然而，通過每個(gè)線程一個(gè)任務(wù)的模型，我們可以輕松地避免復(fù)雜的線程同步和共享狀態(tài)的問題。
然而，正如之前提到的，使用這種方法也存在著限制，即我們能夠創(chuàng)建的線程數(shù)量有限。由于平臺(tái)線程的創(chuàng)建成本較高，每個(gè)線程都需要分配一定數(shù)量的堆棧內(nèi)存，這限制了我們可以創(chuàng)建的線程數(shù)量。如果我們不加限制地創(chuàng)建大量線程，就有可能導(dǎo)致內(nèi)存耗盡和性能下降。
需要注意的是，隨著 Project Loom 的引入，虛擬線程的輕量級(jí)特性將顯著改善線程創(chuàng)建成本和內(nèi)存開銷。這將使我們能夠更輕松地創(chuàng)建大規(guī)模的并發(fā)任務(wù)，而不會(huì)受到線程數(shù)量限制的困擾。
正如我們之前所提到的，虛擬線程是一種新型的線程，旨在解決平臺(tái)線程的資源限制問題。它們是 java.lang.Thread 類型的替代實(shí)現(xiàn)，將堆幀(Heap Frame)存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，而不是堆棧中。
由于虛擬線程的堆棧存儲(chǔ)在堆中，因此它們的初始內(nèi)存占用非常小，通常只有幾百字節(jié)，而不是兆字節(jié)。此外，堆棧塊的大小可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。這意味著我們不需要為每個(gè)可能的用例分配數(shù)百兆字節(jié)的內(nèi)存。
通常而言，創(chuàng)建一個(gè)新的虛擬線程非常簡(jiǎn)單。我們可以使用 java.lang.Thread類 型上的新工廠方法 ofVirtual 來(lái)實(shí)現(xiàn)。讓我們首先定義一個(gè)實(shí)用函數(shù)，用于創(chuàng)建具有給定名稱的虛擬線程的示例代碼：
import java.lang.Thread;public class VirtualThreadExample { public static void main(String[] args) { Thread virtualThread = Thread.ofVirtual("VirtualThreadExample", VirtualThreadExample::runTask); virtualThread.start(); } public static void runTask() { // 在虛擬線程中執(zhí)行的任務(wù)代碼 System.out.println("Running task in virtual thread"); }}在上面的示例中，我們使用 Thread.ofVirtual 方法創(chuàng)建了一個(gè)名為 "VirtualThreadExample" 的虛擬線程，并指定了要在其中執(zhí)行的任務(wù)代碼。然后，我們調(diào)用 start 方法啟動(dòng)虛擬線程。
通過使用虛擬線程，我們可以更加靈活地管理線程的內(nèi)存消耗，并提高并發(fā)程序的性能和可伸縮性。虛擬線程是 Project Loom 的關(guān)鍵特性之一，將極大地改善 Java 中的并發(fā)編程體驗(yàn)。
作為 Project Loom 提出的一種新的線程模型，即虛擬線程。虛擬線程是一種輕量級(jí)的線程，其堆棧存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，而不是在操作系統(tǒng)線程的堆棧中。這種設(shè)計(jì)使得虛擬線程的創(chuàng)建和銷毀成本較低，并且可以創(chuàng)建大量的線程，而不會(huì)受到操作系統(tǒng)和硬件資源的限制。
虛擬線程的引入將改變 Java 中的并發(fā)編程方式。它們可以通過更高效地利用系統(tǒng)資源來(lái)提高并發(fā)性能，并且可以簡(jiǎn)化并發(fā)編程的復(fù)雜性。虛擬線程可以使用更少的內(nèi)存，并且可以根據(jù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整堆棧的大小，以提高資源利用率。
具體可參考如下所示：
與傳統(tǒng)的由平臺(tái)線程都映射到操作系統(tǒng)線程的生命周期相對(duì)比，虛擬線程通過較小的初始內(nèi)存占用、動(dòng)態(tài)調(diào)整堆棧大小、共享堆棧和更高效的內(nèi)存管理等方式，減少了應(yīng)用程序的內(nèi)存消耗。這使得可以創(chuàng)建更多的線程，提高并發(fā)性能，并且更有效地利用系統(tǒng)資源。
在大多數(shù)架構(gòu)中，應(yīng)用程序可以處理的請(qǐng)求數(shù)量與應(yīng)用程序服務(wù)器線程池中可用的線程數(shù)量成正比。因?yàn)槊總€(gè)客戶請(qǐng)求都由單個(gè)唯一的線程處理。因此，如果可用的線程數(shù)量較少，則只能同時(shí)處理少量請(qǐng)求。這將降低應(yīng)用程序的吞吐量。另一方面，如果應(yīng)用程序服務(wù)器線程池配置了Java虛擬線程，它可以創(chuàng)建明顯更高的線程數(shù)量(數(shù)百萬(wàn))，這將最終提高應(yīng)用程序的吞吐量。
此外，在某些應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序服務(wù)器線程池中的可用線程在其他計(jì)算資源(如CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ))飽和之前首先飽和。對(duì)于這樣的虛擬線程來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)較大的增強(qiáng)。
在 JVM 上運(yùn)行的應(yīng)用程序容易出現(xiàn)“java.lang.OutOfMemoryError：無(wú)法創(chuàng)建新的本機(jī)線程”。這種類型的內(nèi)存錯(cuò)誤通常發(fā)生在如下兩種情況下：
通常而言，Java 虛擬線程在減少內(nèi)存消耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。相比傳統(tǒng)的平臺(tái)線程，Java 虛擬線程通常更輕量級(jí)，它們占用的內(nèi)存較少。這使得使用虛擬線程比使用平臺(tái)線程更難達(dá)到 RAM 容量的飽和。
傳統(tǒng)的平臺(tái)線程需要分配操作系統(tǒng)線程，并且每個(gè)線程都有一定的內(nèi)存開銷。而虛擬線程在不做實(shí)際工作時(shí)，并不需要分配操作系統(tǒng)線程，因此虛擬線程應(yīng)用程序超過操作系統(tǒng)線程限制的可能性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的平臺(tái)線程。
虛擬線程的輕量級(jí)特性和更高的靈活性使得可以創(chuàng)建更多的線程，而不會(huì)受到操作系統(tǒng)和硬件資源的限制。這進(jìn)一步增加了虛擬線程應(yīng)用程序處理大規(guī)模并發(fā)的能力，提高了系統(tǒng)的可伸縮性。
在我們主流的系統(tǒng)架構(gòu)中，應(yīng)用程序通常需要與多個(gè)后端系統(tǒng)進(jìn)行通信，如 API、數(shù)據(jù)庫(kù)和第三方框架等。然而，當(dāng)其中一個(gè)后端系統(tǒng)出現(xiàn)中斷或響應(yīng)緩慢時(shí)，傳統(tǒng)的應(yīng)用程序服務(wù)器線程會(huì)被阻塞，等待后端系統(tǒng)的響應(yīng)。隨著更多請(qǐng)求進(jìn)入應(yīng)用程序，越來(lái)越多的線程會(huì)被阻塞。在這種情況下，應(yīng)用程序服務(wù)器線程池中的線程數(shù)量是有限的。如果所有線程都被阻塞等待后端系統(tǒng)的響應(yīng)，那么就沒有可用線程來(lái)處理新的請(qǐng)求，從而導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用程序不可用。
然而，通過將應(yīng)用程序服務(wù)器線程池配置為使用 Java 虛擬線程，可以解決上述問題并提高應(yīng)用程序的可用性。使用虛擬線程，我們甚至可以輕松創(chuàng)建數(shù)百萬(wàn)個(gè)線程，而不會(huì)出現(xiàn)重大問題。當(dāng)虛擬線程被阻塞等待后端系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)，它會(huì)像任何其他應(yīng)用程序?qū)ο笠粯?，以非常輕量級(jí)的方式存儲(chǔ)在 Java 堆區(qū)域中。因此，應(yīng)用程序服務(wù)器線程池可以繼續(xù)創(chuàng)建虛擬線程，而不會(huì)耗盡線程池中的線程資源，直到后端系統(tǒng)恢復(fù)。
這種優(yōu)化策略為應(yīng)用程序帶來(lái)了巨大的潛力，提高了應(yīng)用程序的可用性。即使在后端系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)用程序仍然能夠繼續(xù)創(chuàng)建和處理請(qǐng)求，而不會(huì)因?yàn)榫€程資源的耗盡而導(dǎo)致不可用狀態(tài)。這種靈活性和彈性使得應(yīng)用程序能夠更好地應(yīng)對(duì)高負(fù)載和故障情況，保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
Java 虛擬線程提供了現(xiàn)代應(yīng)用程序所需的強(qiáng)大且高效的并發(fā)模型。它簡(jiǎn)化了并發(fā)編程，并帶來(lái)更好的資源利用率，因此有可能徹底改變開發(fā)人員在 Java 中處理并發(fā)代碼的方式。
隨著 Java 技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，了解最新的功能如虛擬線程對(duì)于那些希望保持領(lǐng)先地位并充分利用 Java 生態(tài)系統(tǒng)潛力的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
虛擬線程提供了一種輕量級(jí)的線程模型，通過協(xié)作調(diào)度和高效的內(nèi)存管理，大大減少了線程創(chuàng)建和管理的開銷。這使得開發(fā)人員能夠更容易地編寫高性能、高并發(fā)的應(yīng)用程序，而無(wú)需擔(dān)心傳統(tǒng)線程模型的限制和開銷。
通過使用虛擬線程，開發(fā)人員可以更好地利用系統(tǒng)資源，提高應(yīng)用程序的并發(fā)性能。虛擬線程的出現(xiàn)為 Java 生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了更多的潛力和機(jī)會(huì)，使得開發(fā)人員能夠更好地應(yīng)對(duì)現(xiàn)代應(yīng)用程序中的并發(fā)需求。
因此，對(duì)于那些希望保持領(lǐng)先并充分利用 Java 生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，了解虛擬線程等先進(jìn)功能是至關(guān)重要的。這將使他們能夠更好地應(yīng)對(duì)并發(fā)編程挑戰(zhàn)，并構(gòu)建出高性能、可擴(kuò)展的應(yīng)用程序，從而在競(jìng)爭(zhēng)激烈的軟件開發(fā)市場(chǎng)中脫穎而出。
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