命令式風格編程一直深受開發者喜愛，如 if-then-else、while 循環、函數和代碼塊等結構使代碼易理解、調試，異常易追蹤。然而，像所有好的東西一樣，通常也有問題。這種編程風格導致線程被阻塞時間遠超過必要時間。

1 同步阻塞設計

1.1 同步阻塞設計的線程圖

為了便于你理解，讓我們看一個典型的企業用例請求：

• 從DB獲取數據
• 從 Web 服務獲取數據
• 合并結果并將最終合并的結果發送回用戶

在像 Tomcat 這樣的應用服務器中，一個平臺線程將專用于用戶請求，該線程將繼續調用從數據庫獲取數據的代碼（調用 FetchDataFromDB），然后調用從 Web 服務獲取數據的代碼（調用 FetchDataFromService），然后繼續合并并將數據發送給用戶（調用 SendDataToUser）。

如下圖，將執行線程從上到下表示為一個垂直箭頭：

• 綠色是執行的 CPU 部分
• 紅色是線程等待數據的時間

大多企業應用都是 IO 綁定的，因此線程在大多時間內實際是浪費資源。

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1.2 評估

Java 中，平臺線程是昂貴資源，因為默認，每個平臺線程消耗 1MB 棧內存。即 JVM 中運行的平臺線程數量有上限。因此，若一個平臺線程專用于用戶請求，對高并發用戶的應用程序，就帶來問題。傳統解決方案是創建一個具有最大線程數的線程池，并根據需要水平或垂直擴展應用程序：

• 垂直擴展意味著向容器或 VM 添加更多資源
• 水平擴展則意味著添加應用程序的更多實例

2 異步阻塞設計

2.1 異步阻塞設計線程圖

為了提高性能，可用異步模型，并行運行一些串行任務。如若假設數據庫和 Web 服務的獲取任務可以并行運行，那么它們可以在各自的平臺線程中執行。

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用戶請求線程啟動兩個線程：

• 一個用于處理從數據庫獲取數據
• 另一個用于從 Web 服務獲取數據
• 然后，它將阻塞以獲取兩者結果，然后繼續合并并將數據發送給用戶

在 Java 可通過向 Executor Service 提交 Callable 或 Runnable 任務并使用 Java Futures 來實現。

2.2 評估

這將提高性能，因為兩個數據獲取是并行執行的。但是，即使在大多數時間內可能會有性能提升，但是在短時間內，平臺線程的數量現在從 1 增加到 3。從可擴展性看，在那段時間內情況更壞。

3 響應式樣式設計

響應式編程設計就是為解決這問題。

3.1 部分響應式設計線程圖

在于昂貴的平臺線程在阻塞操作期間浪費大部分時間。隨 Servlet 3.0 和 3.1 引入，Servlet 線程在發送 HTTP 數據回用戶時無需保持活動狀態，這為更巧妙編程打開解決線程阻塞的大門。Java 8 CompletableFuture類可在其中創建響應式管道。這種開發風格思想是為該用例指定一個執行管道，而非執行用例本身。

用戶請求線程只需指定用例的 CompletableFuture 管道（或任何其他管道），并在盡可能短的時間內將其釋放回線程池（因為無需再保持活動狀態以向用戶發送數據）。

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此時，用戶請求線程創建一個運行 3 個活動的管道：

• 先并行運行 FetchDataFromService、FetchDataFromDB
• 再運行 Send2User

但創建此管道后，用戶請求線程將被簡單釋放回線程池。大大減輕 JVM 負擔，因為現在它有一個較少的線程要處理。一旦數據提取線程完成其執行，數據將被發送給用戶。

評估

但這只是部分解決問題，因為從 Web 服務、DB獲取數據的實際活動仍是在它們各自的平臺線程中阻塞。這帶來問題：SE須確保他從管道中生成的任務不是阻塞的。這很難做到，因為它是手動完成的，并且肯定是錯誤的，因為在編譯時或運行時它不會被標記為警告或錯誤。

4 完全響應式樣式設計

如何才能表現更好？達到更高標準 OKR 呢？為使該設計完全響應式，須以非阻塞方式獲取DB、Web 服務的數據。

作為 JDK 7 的一部分，NIO（New IO） 為非阻塞 IO 打開大門。Java 所有基于 IO 類和方法都有非阻塞版本了。如socket讀/寫、文件讀/寫、鎖 API 等。須使用這些類/方法的非阻塞版本或支持 NIO 的庫來進行數據的獲取。

4.1 完全響應式樣式設計線程圖

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每個獲取數據的 Fetch Data 中，發出請求的線程和獲取數據的線程不同，如：

• 從 Web 服務檢索數據的 HTTP GET 請求將在一個線程上運行
• 而最終處理檢索到的數據的線程將在另一個線程上運行

這就是完全響應式，它解決了關鍵問題：IO 操作期間不阻塞。在這里使用平臺線程的唯一時間是在 CPU 操作期間，而不是在 IO 操作期間。在平臺線程的執行部分已看不到任何紅色部分。

這種開發風格能實現應用程序高可擴展性。然而，解決方案過復雜。創建響應式管道、調試它們及想象它們的執行很困難。所以很正常，這種開發風格沒有流行開來，只有頂尖的開發者才對此愛不釋手。Spring Boot 專門用于響應式風格編程的完整開發技術棧即 Spring WebFlux，它使用 Project Reactor 庫提供了對DB、Web 服務等的非阻塞行為。

5 虛擬線程

還有響應式設計的其他替代方案嗎？當然了！如今 Java 21 的發布，Oracle 推出備受期待的 Virtual Threads 功能。

平臺線程問題是在阻塞操作期間，實際變得無用。平臺線程基本是os線程的簡易包裝，畢竟os線程是昂貴的。

而虛擬線程是 JVM 中 Thread 類的實現，它是輕量級的。最終歸結為以下幾點 — 當使用虛擬線程進行代碼執行時，它將在 CPU 操作期間使用平臺線程（稱為載體線程），并且在遇到 IO 操作時將載體線程釋放。

JVM如何知道何時遇到 IO 操作？

虛擬線程中運行時，JVM 將自動切換到使用 IO 操作的非阻塞版本。這種更改已在大多核心 Java 類庫中為大多數 IO 操作進行了痛苦修改。當代碼遇到 IO 操作，載體線程將被釋放，并且在該 IO 的數據可用時，虛擬線程將被重新安排在另一個載體線程上處理數據。即在虛擬線程中阻塞不是問題，因為底層的載體線程被釋放了。

SE現在可選擇使用虛擬線程進行用戶請求。即SE可繼續使用與以前相同的命令式開發風格，同時獲得使用響應式管道時獲得的可擴展性優勢（但沒有復雜性）。

具有虛擬線程的同步阻塞線程圖

這種方式在同步阻塞設計中的情況（注意，阻塞不是一個問題）。

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用戶請求線程是虛擬線程（藍色垂直箭頭）。線程上的紅色不再是問題，因為阻塞操作期間，底層的載體線程將被釋放，從而實現與使用響應式框架相同的可擴展性優勢。

6 虛擬線程和異步阻塞設計

6.1 異步阻塞設計中的虛擬線程

阻塞在此也不再是問題。前面提到可用 Java Futures 實現，我們確實有這樣做的選擇。但Java 21引入 StructuredTaskScope 和 Subtask ，以處理結構化異步行為。

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虛擬線程 和 StructuredTaskScope 的組合將非常強大。虛擬線程使阻塞不再是一個問題，而 StructuredTaskScope 將為我們提供更高級別的類，以直觀的方式處理異步編程。很難看到為什么還需要 Completable Futures。

虛擬線程 V.S 響應式框架

• 可繼續使用命令式風格開發
• 無需創建復雜的響應式管道
• 無需在代碼中直接使用非阻塞 IO
• 更易編碼、調試和理解

7 總結

隨著 Java 21 中 虛擬線程 引入，虛擬線程在阻塞狀態下不再是問題。開發人員：

• 無需創建復雜的響應式風格管道
• 且無需在代碼中直接使用非阻塞 IO

即可創建高度可擴展的應用程序。替代方案是使用 Java 21 中引入的 虛擬線程 與 Java Futures 或 Structured Concurrency（Java 21 中的預覽功能） 類的組合。

參考：

• 編程嚴選網