有了虚拟线程，线程池还有必要存在吗

有了虚拟线程，线程池还有必要存在吗？

背景：

线程池可以重用固定数量的线程，避免了频繁创建和销毁线程的开销。然而，即使是线程池也无法完全解决上下文切换和资源消耗的问题，尤其是在高并发场景下。此外，大量的线程创建还可能导致OutOfMemoryError。

Java19引入了虚拟线程概念，java21新特性推出虚拟线程：

是轻量级线程（类似于 Go 中的 “协程（Goroutine）”），可以减少编写、维护和调度高吞吐量并发应用程序的工作量。

轻量级的线程在JVM的用户模式下被管理，而不是直接映射到操作系统的线程上。

当代码调用到阻塞操作时例如 IO、同步、Sleep等操作时，JVM 会自动把 Virtual Thread 从平台线程上卸载，平台线程就会去处理下一个虚拟线程，通过这种方式，提升了平台线程的利用率，让平台线程不再阻塞在等待上，从底层实现了少量平台线程就可以处理大量请求，提高了服务吞吐和 CPU 的利用率。

如图所示：

操作系统线程（OS Thread）：由操作系统管理，是操作系统调度的基本单位。

平台线程（Platform Thread）：传统方式使用的Java.Lang.Thread，都是一个平台线程，是 Java 对操作系统线程的包装，与操作系统是 1:1 映射。

虚拟线程（Virtual Thread）：一种轻量级，由 JVM 管理的线程。对应的实例 java.lang.VirtualThread 这个类。

载体线程（Carrier Thread）：指真正负责执行虚拟线程中任务的平台线程。一个虚拟线程装载到一个平台线程之后，那么这个平台线程就被称为虚拟线程的载体线程。

一. Java内部线程实现模式

绿色线程（Green Thread）：远古时期，Java使用绿色线程模式。这个模式下，多线程的调度和管理有JVM完成。绿色线程模式才作用M:1线程映射模型。这里就有一个问题，Java不能够规模化管理这种线程，也就无法充分发挥硬件性能。同样的实现绿色线程也是一件非常有挑战性的事情，因为它需要非常底层的支持才能够良好运行。随后Java移除了绿色线程，转而使用本地线程。这使得Java的线程执行比绿色线程更慢。

平台线程（Platform Thread）：从Java 1.2开始从绿色线程切换到了平台线程模式（有些人称之为本地线程（Native Thread））。在操作系统的帮助下，JVM 得以控制平台线程。平台线程的执行效率很高，但是开启和关闭他们的资源消耗较大。这就是为什么我们现在要使用线程池。这个模型遵循着 1:1 线程映射，即一个Java线程映射到一个内核线程。当一个Java线程被创建时，相应的一个对应的核心线程也会被创建，用来执行线程代码。自此之后，平台线程模型的做法就延续到了今天。

1.1 当前Java线程模型有什么问题吗？

只是对于操作系统内核线程的一个简单包装，真正的线程调度，还是由操作系统完成；

因为线程的创建和销毁都需要系统内核完成，涉及用户态切换，资源消耗较大；

本地线程需要保存他们的调用栈在内存中，大概2MB~20MB的预留空间。如果你有4GB内存，如果每个线程占用20MB内存，那么你就只能创建大概200个线程；

因为本地线程是一种系统资源，加载一个新的本地线程大概需要1毫秒；

上下文切换代价昂贵，需要一个到内核的系统调用；

上面这些强制性的限制会限制线程创建的数量，同时会导致性能下降和过度的内存消耗。因为我们不能创建更多的线程；

我们不能通过增加更多的线程来增应用规模，因为上下文切换和内存占用的代价高昂；

1.2 一个IO密集型应用的例子

考虑一台16GB内存的网络服务器。对于每个服务请求，都分配一个不同的线程。我们假设每个线程需要20MB内存空间，那么这台机器可以支持800个线程。当前，后端的API一般使用REST/SOAP调用方式，例如数据库操作和API信息转发这些IO密集型操作。由此可见，后端服务的主要是IO密集型而不是CPU密集型。

接着假设一下，一个IO操作需要100毫秒，请求执行（IO密集型）需要100毫秒，以及返回结果也需要100毫秒。同时，当每秒有800个请求时，线程数得到了最大容量。

让我们来计算一下单个请求的CPU占用时间

CPU时间　＝　请求准备时间 +　返回结果准备时间

＝　0.1ms +　0.1ms

= 0.2ms

对于800个请求呢？

800个线程的请求时间= 800 * 0.2ms

= 160ms

受限于我们的内存容量，我们只能创建800个请求，也就导致了我们CPU使用率并不高

CPU使用率=160ms / 1000ms

= 16%

那么如何才能使CPU的利用率到达90%呢？

16% = 800个线程

90% = X个线程

X = 4500

但是我们当前因为内存的限制不能创建那么多的线程，除非我们能突破这个限制，拥有90G内存。

90G的内存是一个比较离谱的数字，所以说创建本地线程很明显不能充分利用硬件资源。