Java基础 - Java Threads and Virtual Threads

Java线程

在 Java 19 之前，Java 线程模型都是 1:1 模型：1 Java Thread = 1 OS Thread。

Java 线程创建的过程 (new Thread(() -> work()).start();)：

1. 在 Java Heap 里 new 了个对象 (Thread t = new Thread();)
2. t.start();: 创建 OS 线程 (pthread_create())
3. 在操作系统眼中，该 Java 进程创建了一个线程，因此 OS 分配 native stack (大约1M~8M)，Native Stack 用来运行 JVM 的 C++ 函数
4. JVM 给线程分 Java Stack (mmap 一个内存区域作为 Java Stack，大小可以由 -Xss 参数配置)，Java Stack 用来运行 Java 方法
5. 此时该 Java 线程与 OS 线程一一对应

线程的调度由操作系统来控制。

1:1模型的缺点

由于每创建一个 Java 线程都需要创建对应的 OS 线程，这限制了一个服务器创建大量的线程。尤其是当服务器的请求大多是 IO 密集型时，有限的线程大多都处于 Waiting 状态，大大占用了服务器的请求处理能力。在Linux中，内核为了处理系统调用、中断、上下文切换，必须为每个线程维护一个内核栈（通常是 16KB 或 8KB）。由于 OS 的 Kernal Space 有限，如果要创建10 万个线程，仅内核栈就需要 1.6GB 的物理内存。

在 Java 21 引入了虚拟线程的概念。

虚拟线程

虚拟线程 (Virtual Thread) 没有自己的 Kernel Stack。它是一个 Java 对象（java.lang.VirtualThread）。当一个虚拟线程需要 CPU 计算时，JVM 会把它“挂载 (Mount)” 到一个平台线程上。此时，虚拟线程借用了这个平台线程的 Kernel Stack 和 CPU 时间片来运行。 一旦虚拟线程由于 IO 而阻塞，JVM 会把它“卸载 (Unmount)”，归还平台线程。本质上，是 JVM 内实现的一套 user-level thread system。

• Unmount：将当前平台线程栈上的栈帧数据（包括程序计数器、局部变量）拷贝回 Java Heap 中。平台线程清空栈底，去执行下一个虚拟线程。
• 虚拟线程只有在 Native Stack（C++ 栈帧）为空时，才允许 Unmount。因此，JDK 21 对底层库做了大规模的重写，JDK 内部把 Socket 等 IO 操作全部改写成了 Non-blocking IO.