Java 中线程与虚拟线程的区别

1. 引言

本文将深入探讨 Java 中传统线程（Kernel Thread）与 Project Loom 引入的虚拟线程（Virtual Thread）之间的核心差异。

随后，我们会介绍虚拟线程的典型使用场景，以及 Loom 项目带来的新 API。

⚠️ 需要特别说明的是：Project Loom 仍处于积极开发阶段。本文示例基于早期访问版本的 Loom VM（如 openjdk-15-loom+4-55_windows-x64_bin）运行。后续构建版本可能会对现有 API 进行重大变更甚至破坏兼容性。

值得一提的是，Loom 的 API 已经历一次重大调整：原先使用的 java.lang.Fiber 类已被移除，取而代之的是新的 java.lang.VirtualThread 类。

2. 线程 vs 虚拟线程：高层对比

从宏观角度看，两者的关键区别在于调度管理方：

✅ 传统线程：由操作系统内核直接管理和调度
✅ 虚拟线程：由 JVM（Java 虚拟机） 自行管理和调度

这个根本差异带来了以下连锁反应：

传统线程的痛点

❌ 创建成本高：每次创建新内核线程都需要一次系统调用（system call），开销较大
❌ 资源消耗大：每个线程默认占用约 1MB 栈空间，大量线程会导致内存压力
❌ 上下文切换昂贵：线程切换依赖操作系统调度，涉及用户态/内核态切换，性能损耗明显
❌ 阻塞即浪费：一旦线程因 I/O 阻塞，整个内核线程就被挂起，无法执行其他任务

正因如此，我们才广泛使用线程池来复用线程，避免频繁创建销毁。而为了提升吞吐，又不得不转向 NIO、异步回调等复杂模型，导致代码可读性和调试难度飙升——典型的“为了性能牺牲可维护性”踩坑现场。

虚拟线程的优势

✅ 创建极快：无需系统调用，JVM 直接在用户态完成分配
✅ 内存占用小：初始栈仅几 KB，按需动态扩展
✅ 无 OS 上下文切换：调度由 JVM 完成，避免昂贵的内核介入
✅ 天然抗阻塞：虚拟线程运行在“载体线程（Carrier Thread）”之上。当虚拟线程阻塞时，JVM 会自动将其挂起，并调度其他虚拟线程继续使用该载体线程

这意味着：

你可以轻松创建数百万虚拟线程而不会压垮系统
编写阻塞式代码也能获得接近异步非阻塞的吞吐量
代码回归直观的同步风格，告别“回调地狱”

⚠️ 例外情况：如果虚拟线程调用了本地方法（native method）并在此方法中发生阻塞，仍可能导致载体线程被占用。这是目前需要警惕的少数性能陷阱之一。

3. 新的线程构建器 API

Loom 在 Thread 类中引入了全新的构建器（Builder）API，极大简化了线程创建。来看示例：

Runnable printThread = () -> System.out.println(Thread.currentThread());
        
ThreadFactory virtualThreadFactory = Thread.builder().virtual().factory();
ThreadFactory kernelThreadFactory = Thread.builder().factory();

Thread virtualThread = virtualThreadFactory.newThread(printThread);
Thread kernelThread = kernelThreadFactory.newThread(printThread);

virtualThread.start();
kernelThread.start();

输出结果：

Thread[Thread-0,5,main]
VirtualThread[<unnamed>,ForkJoinPool-1-worker-3,CarrierThreads]

输出解析

第一行是传统线程的标准 toString() 输出
第二行显示虚拟线程：
- 名称未指定，显示为 <unnamed>
- 正在 ForkJoinPool 的某个 worker 线程上执行
- 所属线程组为 CarrierThreads（载体线程组）

关键启示

✅ API 完全兼容：无论底层是内核线程还是虚拟线程，编程接口一致
✅ 无缝迁移：现有阻塞式代码无需改写即可运行在虚拟线程上
✅ 零学习成本：无需掌握全新概念，上手简单粗暴

4. 虚拟线程的底层机制：Continuation

虚拟线程的本质是 Continuation（延续） + Scheduler（调度器） 的组合。

✅ Continuation：可暂停、可恢复的执行单元，类似协程（Coroutine）
✅ Scheduler：负责调度 Continuation 的执行器，通常实现为 Executor 接口

默认情况下，Loom 使用 ForkJoinPool 作为调度器。

📌 注意：Continuation 是低层 API，日常开发应优先使用 Thread.builder() 这类高层 API。

但为了理解其工作原理，我们来看一个 Continuation 的实验性示例：

var scope = new ContinuationScope("C1");
var c = new Continuation(scope, () -> {
    System.out.println("Start C1");
    Continuation.yield(scope);
    System.out.println("End C1");
});

while (!c.isDone()) {
    System.out.println("Start run()");
    c.run();
    System.out.println("End run()");
}

输出：

Start run()
Start C1
End run()
Start run()
End C1
End run()

执行流程拆解

第一次 c.run()：
- 执行 Start C1
- 遇到 Continuation.yield()，暂停执行，保存当前栈状态
- run() 方法返回，控制权交还主循环
第二次 c.run()：
- JVM 恢复之前保存的执行状态
- 从 yield 后继续执行，打印 End C1
- 执行完成，c.isDone() 返回 true

核心机制

当虚拟线程遇到阻塞操作（如 I/O）时，其内部的 Continuation 会自动 yield
JVM 保存当前执行上下文，释放载体线程
载体线程立即被用于执行其他虚拟线程
阻塞结束后，JVM 恢复该 Continuation，从断点继续执行

这正是虚拟线程实现“高并发 + 阻塞式编程”共存的底层魔法。

5. 总结

本文核心要点归纳如下：

特性	传统线程	虚拟线程
调度方	操作系统	JVM
创建成本	高（系统调用）	极低（用户态）
内存占用	~1MB/线程	KB 级，动态扩展
阻塞影响	阻塞整个内核线程	仅挂起虚拟线程，载体线程可复用
编程模型	需异步/非阻塞	可直接使用阻塞 API
适用场景	CPU 密集型	I/O 密集型（如 Web 服务）

✅ 虚拟线程不是要取代传统线程，而是为高并发 I/O 场景提供更优雅的解决方案。

你可以通过访问 Loom 早期试用版进一步探索。同时，也不要忽视已成熟的 Java 并发工具包，它们与虚拟线程将长期共存，各司其职。

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REST

Security