虛擬執行緒

概述

虛擬執行緒（Virtual Threads）是 Project Loom 引入的輕量級執行緒實現，從 JDK 21 開始正式可用。

執行緒類型

Platform Thread（平台執行緒）

• 由 OS Thread 執行
• 每個 Platform Thread 對應一個 OS Thread
• 建立和切換成本較高

Virtual Thread（虛擬執行緒）

• 由 Platform Thread 執行
• 多個 Virtual Thread 可以共享同一個 Platform Thread
• 所有 Virtual Thread 的記憶體管理都在 Heap 中，就像普通物件一樣

  flowchart TB
    subgraph VT[Virtual Threads]
        V1[VT 1]
        V2[VT 2]
        V3[VT 3]
        V4[VT 4]
    end
    subgraph PT[Platform Threads]
        P1[PT 1]
        P2[PT 2]
    end
    subgraph OS[OS Threads]
        O1[OS Thread 1]
        O2[OS Thread 2]
    end

    V1 & V2 --> P1
    V3 & V4 --> P2
    P1 --> O1
    P2 --> O2

為什麼需要虛擬執行緒？

傳統模型的問題

在 Thread-per-request 模型中，每個請求都需要一個 OS Thread：

  flowchart LR
    PT[Platform Thread] ==> OS[Kernel Thread]

問題：

• OS Thread 會在 Memory blocked/IO 等待時被不必要地鎖住
• 浪費系統資源
• 限制了應用程式的併發能力

虛擬執行緒的解決方案

虛擬執行緒在不執行實際工作時，會作為 stack chunk object 駐留在 Java Heap 記憶體區域中。

建立虛擬執行緒

使用 Thread.ofVirtual()

Thread vThread = Thread.ofVirtual()
    .name("virtual-thread-1")
    .start(() -> {
        System.out.println("Hello from virtual thread!");
    });

使用 ExecutorService

try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    executor.submit(() -> {
        System.out.println("Task running on virtual thread");
    });
}

效能比較

使用場景

適合使用虛擬執行緒

• IO 密集型任務：HTTP 請求、資料庫查詢、檔案操作
• 高併發服務：Web 伺服器處理大量請求
• 長時間等待：等待外部服務回應

不適合使用虛擬執行緒

• CPU 密集型任務：數學計算、影像處理
• 需要執行緒親和性：某些 Native 程式庫
• 使用 synchronized 區塊的長時間操作

注意事項

// 不推薦：可能導致 virtual thread pinning
synchronized (lock) {
    // 長時間 IO 操作
}

// 推薦：使用 ReentrantLock
lock.lock();
try {
    // 長時間 IO 操作
} finally {
    lock.unlock();
}

與現有程式碼整合

虛擬執行緒完全相容現有的 Thread API，可以無縫整合：

// 舊程式碼
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);

// 遷移到虛擬執行緒
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();

Structured Concurrency（結構化併發）

JDK 21 也引入了結構化併發的預覽功能，配合虛擬執行緒使用：

try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
    Future<String> task1 = scope.fork(() -> fetchData1());
    Future<String> task2 = scope.fork(() -> fetchData2());

    scope.join();           // 等待所有任務完成
    scope.throwIfFailed();  // 如有異常則拋出

    return task1.resultNow() + task2.resultNow();
}

參考資源

• Java Thread Practices Collection
• JEP 444: Virtual Threads
• Project Loom