从Java8到Java23值得期待的x个特性（3）：永远学不完的多线程||沉潜飞动|君子藏器于身，待时而动。

从Java8到Java23值得期待的x个特性

你好，我是看山。

本文收录在《从小工到专家的 Java 进阶之旅》系列专栏中。

概述

从 2017 年开始，Java 版本更新遵循每六个月发布一次的节奏，LTS版本则每两年发布一次，以快速验证新特性，推动 Java 的发展。

Java版本分布

数据来源2024 State of the Java Ecosystem

永远学不完的多线程

虚拟线程（Java 21）

虚拟线程是一种轻量级的线程实现，旨在显著降低编写、维护和观察高吞吐量并发应用程序的难度。它们占用的资源少，不需要被池化，可以创建大量虚拟线程，特别适用于IO密集型任务，因为它们可以高效地调度大量虚拟线程来处理并发请求，从而显著提高程序的吞吐量和响应速度。

虚拟线程有下面几个特点：

轻量级：虚拟线程是JVM内部实现的轻量级线程，不需要操作系统内核参与，创建和上下文切换的成本远低于传统的操作系统线程（即平台线程），且占用的内存资源较少。
减少CPU时间消耗：由于虚拟线程不依赖于操作系统平台线程，因此在进行线程切换时耗费的CPU时间会大大减少，从而提高了程序的执行效率。
简化多线程编程：虚拟线程通过结构化并发API来简化多线程编程，使得开发者可以更容易地编写、维护和观察高吞吐量并发应用程序。
适用于大量任务场景：虚拟线程非常适合需要创建和销毁大量线程的任务、需要执行大量计算的任务（如数据处理、科学计算等）以及需要实现任务并行执行以提高程序性能的场景。
提高系统吞吐量：通过对虚拟线程的介绍和与Go协程的对比，可以看出虚拟线程能够大幅提高系统的整体吞吐量。

不考虑虚拟线程实现原理，对开发者而言，使用体验上与传统线程几乎没有区别。

try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    IntStream.range(0, 10_000).forEach(i -> {
        executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            return i;
        });
    });
}

Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Hello from a virtual thread[Thread.startVirtualThread]");
});

final ThreadFactory factory = Thread.ofVirtual().factory();
factory.newThread(() -> {
            System.out.println("Hello from a virtual thread[ThreadFactory.newThread]");
        })
        .start();

虚拟线程为了降低使用门槛，直接提供了与原生线程类似的方法：

Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()，可以像普通线程池一样创建虚拟线程。
Thread.startVirtualThread，通过工具方法直接创建并运行虚拟线程。
Thread.ofVirtual().factory().newThread()，另一个工具方法可以创建并运行虚拟线程。Thread还有一个ofPlatform()方法，用来构建普通线程。

需要注意的是，虚拟线程适用于IO密集场景，而非CPU密集的场景。

作用域值（预览特性）

作用域值（Scoped Values），旨在促进在线程内和线程间共享不可变数据。这一特性为现代 Java 应用程序提供了一种更高效和安全的替代传统 ThreadLocal 机制的方法，尤其是在并发编程的背景下。

作用域值允许开发者定义一个变量，该变量可以在特定的作用域内访问，包括当前线程及其创建的任何子线程。这一机制特别适用于在方法调用链中隐式传递数据，而无需在方法签名中添加额外的参数。

作用域值的主要特点：

不可变性：作用域值是不可变的，这意味着一旦设置，其值就不能更改。这种不可变性减少了并发编程中意外副作用的风险。
作用域生命周期：作用域值的生命周期仅限于 run 方法定义的作用域。一旦执行离开该作用域，作用域值将不再可访问。
继承性：子线程会自动继承父线程的作用域值，从而允许在线程边界间无缝共享数据。

在之前，在多线程间传递数据，我们会使用ThreadLocal来保存当前线程变量，用完需要手动清理，如果忘记清理或者使用不规范，可能导致内存泄漏等问题。作用域值通过自动管理生命周期和内存，减少了这种风险。

我们一起看下作用域值的使用：

// 声明一个作用域值用于存储用户名
public final static ScopedValue<String> USERNAME = ScopedValue.newInstance();

private static final Runnable printUsername = () ->
        System.out.println(Thread.currentThread().threadId() + " 用户名是 " + USERNAME.get());

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 将用户名 "Bob" 绑定到作用域并执行 Runnable
    ScopedValue.where(USERNAME, "Bob").run(() -> {
        printUsername.run();
        new Thread(printUsername).start();
    });

    // 将用户名 "Chris" 绑定到另一个作用域并执行 Runnable
    ScopedValue.where(USERNAME, "Chris").run(() -> {
        printUsername.run();
        new Thread(() -> {
            new Thread(printUsername).start();
            printUsername.run();
        }).start();
    });

    // 检查在任何作用域外 USERNAME 是否被绑定
    System.out.println("用户名是否被绑定: " + USERNAME.isBound());
}

写起来干净利索，而且功能更强。

结构化并发API（预览特性）

结构化并发API（Structured Concurrency API）旨在简化多线程编程，通过引入一个API来处理在不同线程中运行的多个任务作为一个单一工作单元，从而简化错误处理和取消操作，提高可靠性，并增强可观测性。这是一个处于孵化阶段的API。

结构化并发API提供了明确的语法结构来定义子任务的生命周期，并启用一个运行时表示线程间的层次结构。这有助于实现错误传播和取消以及并发程序的有意义观察。

Java使用异常处理机制来管理运行时错误和其他异常。当异常在代码中产生时，如何被传递和处理的过程称为异常传播。

在结构化并发环境中，异常可以通过显式地从当前环境中抛出并传播到更大的环境中去处理。

在Java并发编程中，非受检异常的处理是程序健壮性的重要组成部分。特别是对于非受检异常的处理，这关系到程序在遇到错误时是否能够优雅地继续运行或者至少提供有意义的反馈。

try (var scope = new StructuredTaskScope.ShutdownOnFailure()) {
    var task1 = scope.fork(() -> {
        Thread.sleep(1000);
        return "Result from task 1";
    });

    var task2 = scope.fork(() -> {
        Thread.sleep(2000);
        return "Result from task 2";
    });

    scope.join();
    scope.throwIfFailed(RuntimeException::new);

    System.out.println(task1.get());
    System.out.println(task2.get());
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

在这个例子中，handle()方法使用StructuredTaskScope来并行执行两个子任务：task1和task2。通过使用try-with-resources语句自动管理资源，并确保所有子任务都在try块结束时正确完成或被取消。这种方式使得线程的生命周期和任务的逻辑结构紧密相关，提高了代码的清晰度和错误处理的效率。使用 StructuredTaskScope 可以确保一些有价值的属性：

错误处理与短路：如果task1或task2子任务中的任何一个失败，另一个如果尚未完成则会被取消。（这由 ShutdownOnFailure 实现的关闭策略来管理；还有其他策略可能）。
取消传播：如果在运行上面方法的线程在调用 join() 之前或之中被中断，则线程在退出作用域时会自动取消两个子任务。
清晰性：设置子任务，等待它们完成或被取消，然后决定是成功（并处理已经完成的子任务的结果）还是失败（子任务已经完成，因此没有更多需要清理的）。
可观察性：线程转储清楚地显示了任务层次结构，其中运行task1或task2的线程被显示为作用域的子任务。

上面的示例能够很好的解决我们的一个痛点，有两个可并行的任务A和B，A+B才是完整结果，任何一个失败，另外一个也不需要成功，结构化并发API就可以很容易的实现这个逻辑。

文末总结

想要了解各版本的详细特性，可以从从小工到专家的 Java 进阶之旅系列专栏中查看。

青山不改，绿水长流，我们下次见。

从Java8到Java23值得期待的x个特性（3）：永远学不完的多线程

概述

永远学不完的多线程

虚拟线程（Java 21）

作用域值（预览特性）

结构化并发API（预览特性）

文末总结

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