Java 21 中的虚拟线程与 AIO

引言

Java 21 引入了 虚拟线程（Virtual Threads），这是 Java 平台的一个重大更新，属于 Project Loom 项目的一部分。虚拟线程是轻量级的线程，实现了更高效的并发处理，特别是在处理大量 I/O 操作时。

在 Java 21 中，虚拟线程的引入改变了我们处理并发和 I/O 操作的方式。虽然 AIO（异步 I/O）在以前的 Java 版本中用于高并发 I/O 操作，但现在虚拟线程提供了另一种高效的方法。

虚拟线程的特点

轻量级：虚拟线程占用的资源非常少，可以创建数百万个虚拟线程而不会对系统造成过大负担。
阻塞模型：虚拟线程支持传统的阻塞式 I/O 操作，但由于其轻量级特性，不会像传统线程那样造成线程阻塞的问题。
简单易用：开发者可以使用熟悉的同步、阻塞编程模型，而无需处理复杂的异步回调或 Future。

虚拟线程与 AIO 的关系

1. 虚拟线程的引入对 AIO 的影响

在虚拟线程出现之前，为了实现高并发的 I/O 操作，开发者通常会使用 NIO（非阻塞 I/O）或 AIO（异步 I/O）。这些 API 虽然高效，但编程模型复杂，需要处理选择器、回调等。

有了虚拟线程后，开发者可以使用传统的阻塞式 I/O API（如 Socket、ServerSocket）来编写代码，同时仍然能够实现高并发。这是因为当虚拟线程在进行阻塞式 I/O 操作时，底层会自动进行线程调度，不会阻塞实际的物理线程。

2. AIO 是否使用了虚拟线程

AIO 本身并未直接使用虚拟线程。 AIO 提供的是基于回调的异步 I/O 操作，而虚拟线程是对线程模型的改进。

然而，开发者可以在虚拟线程中使用 AIO，但由于虚拟线程已经可以高效地处理阻塞式 I/O，因此在很多情况下，使用阻塞式 I/O 加上虚拟线程会比使用 AIO 更简单且性能相当。

如何在 Java 21 中使用虚拟线程处理 I/O

创建虚拟线程

Thread.startVirtualThread(() -> {
    // 在虚拟线程中执行任务
});

或者使用 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 创建一个虚拟线程的线程池：

ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();

使用阻塞式 I/O 进行网络编程

在虚拟线程中，可以直接使用阻塞式的 Socket 和 ServerSocket 进行网络编程：

public class VirtualThreadHttpServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
            System.out.println("Virtual Thread HTTP Server started on port 8080...");
            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                Thread.startVirtualThread(() -> handleRequest(clientSocket));
            }
        }
    }

    private static void handleRequest(Socket clientSocket) {
        try (clientSocket) {
            // 读取请求并发送响应
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

示例：使用虚拟线程实现简单的 HTTP 服务器

下面是一个使用虚拟线程的 HTTP 服务器示例：

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.Executors;

public class VirtualThreadHttpServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
        try (var serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
            System.out.println("Virtual Thread HTTP Server started on port 8080...");
            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                executor.execute(() -> handleRequest(clientSocket));
            }
        }
    }

    private static void handleRequest(Socket clientSocket) {
        try (clientSocket;
             var reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
             var writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()))) {

            // 读取请求
            String line;
            while (!(line = reader.readLine()).isEmpty()) {
                System.out.println(line);
            }

            // 发送响应
            String body = "Hello, Virtual Threads!";
            writer.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n");
            writer.write("Content-Length: " + body.length() + "\r\n");
            writer.write("Content-Type: text/plain\r\n");
            writer.write("\r\n");
            writer.write(body);
            writer.flush();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

解释

虚拟线程的使用：通过 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor() 创建了一个虚拟线程的线程池，每个任务（请求）都会在一个新的虚拟线程中执行。
阻塞式 I/O：在虚拟线程中，使用了传统的阻塞式 I/O API，如 Socket、InputStreamReader、OutputStreamWriter，编写方式简单直观。
高并发处理：由于虚拟线程的轻量级特性，即使有大量的并发请求，服务器也能高效地处理。

使用虚拟线程提高性能

默认 AsynchronousChannelGroup：

高度优化：默认的 AsynchronousChannelGroup 使用底层的异步 I/O 实现（如 Linux 的 epoll）和一个内部的线程池，专为高并发场景设计。
低线程需求：异步操作无需为每个连接分配线程，大部分时间线程处于空闲或事件处理状态。

AsynchronousChannelGroup + 虚拟线程：

虚拟线程的作用：虚拟线程会用于执行 AIO 的回调逻辑。这种组合可能引入额外的虚拟线程开销，特别是在短生命周期任务较多时。
潜在性能瓶颈： - AIO 本身已经高度异步化，不依赖线程来阻塞或等待。增加虚拟线程并不能显著提升性能。 -每个异步任务可能生成新的虚拟线程，这可能导致短生命周期的虚拟线程被频繁创建和销毁。

总结

Java 21 引入的虚拟线程改变了并发编程的范式：开发者可以使用阻塞式编程模型来编写高并发的应用程序，而无需处理复杂的异步或非阻塞编程模型。
AIO 本身并未直接使用虚拟线程：AIO 提供的是异步 I/O API，但有了虚拟线程后，很多情况下可以直接使用阻塞式 I/O，加上虚拟线程，实现高并发处理。
建议：在 Java 21 及以后的版本中，对于高并发 I/O 操作，优先考虑使用虚拟线程和阻塞式 I/O，除非有特殊需求需要使用 AIO。

参考资料

希望以上内容能够帮助您理解在 Java 21 中虚拟线程与异步 I/O 的关系，以及如何使用虚拟线程来处理高并发的 I/O 操作。