1. 概述
这篇文章带你快速了解 Project Loom。简单来说，Project Loom 的主要目标是探索、孵化并交付 Java 虚拟机的新特性及其上层 API，用于支持易用、高吞吐量的轻量级并发模型和新的编程范式。
2. Project Loom 是什么？
Project Loom 是 OpenJDK 社区为 Java 引入轻量级并发机制的一次尝试。它计划通过在整个 JDK 中引入新特性、API 和优化来实现轻量级并发的广泛应用。Loom 的原型已经在 JVM 和 Java 类库中带来了变化。其中最核心的功能是 虚拟线程（virtual threads），该功能已经实现。
虽然目前还没有 JDK 版本完全集成 Loom，但我们可以通过 Project Loom Early-Access Builds 提前体验。
在深入 Loom 的各种概念之前，我们先来看看 Java 当前的并发模型。
3. Java 的并发模型
目前，Java 中的并发抽象核心是 Thread。借助 Thread 及其他 并发 API，我们可以轻松编写并发程序。通常，我们使用 Thread 创建 平台线程（platform threads），它们与操作系统内核线程一一对应（1:1）。操作系统为每个平台线程分配较大的栈空间和其他资源，但这些资源是有限的。
然而，由于 Java 并发模型依赖于 操作系统内核线程，在面对现代高并发场景时显得力不从心。主要存在两个问题：
- 线程数量无法匹配业务并发单位。例如，应用可能需要处理数百万的事务、用户或会话，但操作系统支持的线程数量远少于这个数量级。因此，为每个用户、事务或会话分配一个线程往往不可行。
- 线程间频繁同步导致上下文切换开销大。大多数并发应用在每次请求中都需要线程间同步，导致昂贵的内核线程上下文切换。
一种常见的解决方案是使用 异步并发 API，如 CompletableFuture 和 RxJava。只要这些 API 不阻塞内核线程，就可以在 Java 线程之上提供更细粒度的并发控制。
但问题是，这类 API 调试困难，且难以与传统 API 集成。因此，我们需要一种与内核线程无关的轻量级并发机制。
4. 任务与调度器
无论是轻量级还是重量级线程，其实现都依赖两个核心组件：
- 任务（Task）（也称为 continuation）：可以暂停自身以等待阻塞操作的一系列指令
- 调度器（Scheduler）：负责将任务分配给 CPU，并在任务暂停时重新调度
目前，Java 的 continuation 和 scheduler 都依赖操作系统实现。
为了暂停一个 continuation，需要保存整个调用栈，并在恢复时重新加载。由于 OS 层的 continuation 包括本地调用栈和 Java 调用栈，因此开销较大。
更大的问题是使用了 OS 的调度器。因为调度器运行在内核态，无法区分线程的上下文，对所有 CPU 请求一视同仁。
这种调度方式 对 Java 应用来说并不是最优的。
举个例子，一个应用线程处理请求后，将数据传递给另一个线程继续处理。如果这两个线程能调度到同一个 CPU 上会更高效。但由于调度器无法感知线程的上下文，这种调度优化很难实现。
Project Loom 提出的解决方案是使用 用户态线程，其 continuation 和 scheduler 由 Java 运行时实现，而不是依赖操作系统。
5. 虚拟线程（Virtual Threads）
OpenJDK 21 正式引入了 虚拟线程，并为现有 API（如 Thread 和 ThreadFactory）提供了创建虚拟线程的接口。
5.1. 虚拟线程与平台线程有何不同？
| 特性 | 平台线程（Platform Thread） | 虚拟线程（Virtual Thread） |
|---|---|---|
| 调度 | 由操作系统调度 | 由 Java 运行时调度 |
| 线程模式 | 内核线程 | 用户态线程（基于 continuation） |
| 默认命名 | 有默认名称 | 无默认名称（可设置） |
| 线程优先级 | 可设置 | 固定（不可更改） |
| 是否为守护线程 | 可设置 | 是（守护线程） |
5.2. 虚拟线程的优缺点
✅ 优点：
- 轻量级，资源占用少
- 可轻松创建数百万个虚拟线程
- 适合 I/O 密集型任务
- 易于使用，与现有 API 兼容
❌ 缺点：
- 不适合 CPU 密集型任务
- 在同步块中会阻塞底层平台线程（线程 pinned）
- 每个虚拟线程都使用 ThreadLocal 会消耗大量内存
5.3. 何时使用虚拟线程？
- ✅ 适用于大多数时间处于阻塞状态的任务（如 I/O）
- ❌ 不适用于长时间占用 CPU 的计算密集型任务
5.4. 如何创建虚拟线程？
有两种主要方式：
方式一：使用 ofVirtual().start()
Thread thread = Thread.ofVirtual().start(Runnable task);
方式二：使用 startVirtualThread()
Thread thread = Thread.startVirtualThread(Runnable task);
方式三：使用 ThreadFactory
ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().factory();
Thread thread = factory.newThread(Runnable task);
判断是否为虚拟线程：
boolean isThreadVirtual = thread.isVirtual();
返回 true 表示该线程是虚拟线程。
5.5. 虚拟线程是如何实现的？
虚拟线程通过少量的底层平台线程（称为 carrier threads）来实现。当发生 I/O 等阻塞操作时，虚拟线程可以被重新调度到其他 carrier threads 上运行。
虚拟线程的执行代码并不感知底层平台线程的存在。调用 currentThread() 时返回的是虚拟线程对象，而非底层平台线程。
6. 有界 Continuation（Delimited Continuations）
Continuation（协程）是一段顺序执行的指令序列，可以暂停并在后续恢复执行。
每个 continuation 都有入口点和挂起点。调用者可以暂停 continuation，并在后续恢复执行。
⚠️ 与传统方式不同的是，挂起/恢复操作现在发生在 Java 运行时中，而非操作系统，从而避免了昂贵的内核线程上下文切换。
Delimited continuation 是支持虚拟线程的关键技术，通常不需要暴露给开发者。以下是一个伪代码示例：
one() {
...
two()
...
}
two() {
...
suspend // 挂起点
... // 恢复点
}
main() {
c = continuation(one) // 创建 continuation
c.continue() // 调用 continuation
c.continue() // 再次调用以恢复
}
为了支持 continuation 的调用栈管理，JVM 需要具备捕获、存储和恢复调用栈的能力。为此，Project Loom 引入了 Unwind-and-Invoke（UAI） 技术，允许将调用栈展开到某个点，然后调用指定方法。
7. ForkJoinPool 与自定义调度器支持
之前我们提到，操作系统调度器无法将相关线程调度到同一 CPU 上。
虽然 Project Loom 的目标是支持可插拔调度器，但目前默认使用的是 **异步模式下的 ForkJoinPool**。
OpenJDK 19 为 ForkJoinPool 增加了新功能，例如 setParallelism(int size) 用于控制并行度，从而管理工作线程的创建、使用和销毁。
ForkJoinPool 使用 工作窃取算法（work-stealing）。每个线程维护一个任务队列，从队列头部取任务执行。空闲线程不会阻塞等待任务，而是从其他线程队列的尾部“偷”任务。
在异步模式下，工作线程从其他队列头部窃取任务。
此外，ForkJoinPool 会将一个任务创建的子任务加入本地队列，从而尽可能在同一 CPU 上执行。
8. 结构化并发（Structured Concurrency）
OpenJDK 引入了预览特性 结构化并发（Structured Concurrency），属于 Project Loom 的一部分。
结构化并发的目标是将多个并发子任务视为一个整体，统一管理它们的生命周期、错误处理和取消操作，从而提升可靠性和可观测性。
为此，引入了预览 API java.util.concurrent.StructuredTaskScope，用于将一个任务拆分为多个并发子任务，并等待它们完成。
示例代码如下：
Callable<String> task1 = ...
Callable<String> task2 = ...
try (var scope = new StructuredTaskScope<String>()) {
Subtask<String> subtask1 = scope.fork(task1); // 启动子任务1
Subtask<String> subtask2 = scope.fork(task2); // 启动子任务2
scope.join(); // 等待子任务完成
// 处理子任务结果
}
使用 try-with-resources 语句可以自动管理资源释放。
9. 总结
本文讨论了 Java 当前并发模型存在的问题，以及 Project Loom 提出的解决方案。
我们重点介绍了 OpenJDK 21 引入的 虚拟线程，它为 Java 提供了一种轻量级的并发替代方案，摆脱了对操作系统内核线程的依赖。
如果你正在开发高并发应用，尤其是 I/O 密集型服务，Loom 带来的虚拟线程和结构化并发绝对值得你关注。