JDK21虚拟线程、OS线程、GO协程性能对比测试

JDK21虚拟线程、OS线程、GO协程性能对比测试

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Axela30W/article/details/145369865

JDK21引入的虚拟线程是一种轻量级线程实现，旨在减少多线程编程的复杂性并提高应用程序的并发性能。本文通过与传统OS线程和GO协程的性能对比测试，深入探讨了虚拟线程的工作原理和实际应用效果。

Java虚拟线程（Virtual Threads）是Java的一种轻量级线程实现，于Java 19通过预览功能引入，并在Java 21中正式稳定。它旨在减少多线程编程的复杂性并提高应用程序的并发性能。虚拟线程的目标是提供与传统平台线程（OS线程）一样的语义，但以更低的资源开销运行更多线程。

一、与平台线程的区别

• 传统的Java线程（Platform Thread）由操作系统直接管理，每个线程占用一个OS线程。
• 虚拟线程是JVM层实现的轻量级线程，它由JVM调度，而不是由操作系统调度。多个虚拟线程可以映射到一个或多个平台线程上运行。

二、工作原理

• 线程池模式：JVM维护一个线程池，其中包含少量的后台平台线程。虚拟线程以任务的形式提交到线程池中。
• 栈管理：虚拟线程的栈是动态分配的，可以根据需要扩展和收缩，而不像OS线程那样需要预分配大块内存。
• 上下文切换：虚拟线程的上下文切换发生在JVM内，代价比OS线程的上下文切换低得多。
• 阻塞操作处理：
  阻塞操作（如IO）不会阻塞底层的OS线程，而是挂起虚拟线程并将OS线程释放给其他任务。
  当阻塞操作完成时，虚拟线程会重新调度运行。
  这通过线程挂起（Continuation）机制实现，JVM可以暂停和恢复虚拟线程的执行状态。

三、常规运算性能对比

模拟常规运算，分别创建20000个线程执行

JDK21 虚拟线程 OS线程

public static void testTraditionalThreads(int taskCount) throws InterruptedException {
    Thread[] threads = new Thread[taskCount];

    for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
        threads[i] = new Thread(() -> performTask());
        threads[i].start();
    }

    // 等待所有线程完成
    for (Thread thread : threads) {
        thread.join();
    }
}

public static void testVirtualThreads(int taskCount) throws InterruptedException {
    var executor = Executors.newThreadPerTaskExecutor(Thread.ofVirtual().factory());

    for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
        executor.execute(() -> performTask());
    }

    executor.shutdown();
    executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
}

private static void performTask() {
    // 模拟一个简单的计算任务
    long sum = 0;
    for (int i = 0; i < 1_000; i++) {
        sum += i;
    }
}

运行结果

10000个任务时，差距大概3.58倍

Traditional threads took: 1257 ms
Virtual threads took: 351 ms
Time difference: 906 ms

20000个任务时：差距大概4.66倍

Traditional threads took: 3086 ms
Virtual threads took: 662 ms
Time difference: 2424 ms

再来看看CPU占用及创建OS线程数量，由于传统OS线程的特性，资源占用也不是一个量级的

传统线程：创建了几千个OS线程，CPU占用也飙升到78%

虚拟线程：创建的OS线程数量不超过10个，CPU占用最高不超过6%

再来对比看下更明显：前一次是传统线程方法调用，后一次是虚拟线程方法调用

GO协程

func performTask() {
    var sum int64 = 0
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        sum += int64(i)
    }
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(runtime.NumCPU()) // 最大化 CPU 使用率

    const numTasks = 10000 // 任务数量
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(numTasks)

    start := time.Now()
    for i := 0; i < numTasks; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            performTask()
        }()
    }

    wg.Wait()
    duration := time.Since(start)

    fmt.Printf("Completed %d tasks in %v\n", numTasks, duration)
}

Completed 10000 tasks in 3.5ms
性能比Java 虚拟线程高接近百倍

四、HTTP调用性能对比

这次换了12600KF处理器的电脑来测试。性能比上面好一些。
HTTP GET 请求从雪球网页版获取某个股票的成交数据。查询2000次。

OS线程

资源消耗情况：

耗时：29928 ms

虚拟线程

资源消耗情况：

耗时：30755 ms

最后放一张对比，前一次是虚拟线程池，后一次是操作系统线程池

GO 协程

func workerPool(workerID int, jobs <-chan int, wg *sync.WaitGroup, client *http.Client) {
    defer wg.Done()
    for job := range jobs {
        fetch(job, client)
    }
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(runtime.NumCPU()) // 最大化 CPU 利用

    numWorkers := runtime.NumCPU() * 2 // 根据 CPU 核心数设置最佳并发量
    jobs := make(chan int, numRequests)
    var wg sync.WaitGroup
    client := &http.Client{}

    // 启动 Worker Pool
    for i := 0; i < numWorkers; i++ {
        wg.Add(1)
        go workerPool(i, jobs, &wg, client)
    }

    // 发送 2000 个任务
    start := time.Now()
    for i := 0; i < numRequests; i++ {
        jobs <- i
    }
    close(jobs)

    wg.Wait()
    duration := time.Since(start)
    fmt.Printf("Completed %d requests in %v using %d workers\n", numRequests, duration, numWorkers)
}

Completed 2000 requests in 5.173660179s using 16 workers

HTTP调用总结：

• 使用传统线程池，会创建巨量的操作系统线程，CPU使用率更优，时间上快一些。耗时：29928 ms
• 虚拟线程池创建数量极少的操作系统线程，但是CPU使用略高一些。时间上慢。耗时：30755 ms
• GO 协程，性能最佳，仅耗时5173ms

总结

• GO协程在CPU密集型任务和IO密集型任务上的表现都要优于JDK的线程
• Go 的 goroutine 仍然比 JDK 21 的虚拟线程更高效
  Go 的 M:N 线程调度模型比 Java 的 ForkJoinPool 更轻量，goroutine 切换成本更低。
  Java 仍然有 JVM 开销（GC、线程管理等），导致 任务切换稍微慢一些。
• JDK 21 虚拟线程已经远远快于传统 Java 线程
  以前 Java 线程是 1:1 映射到 OS 线程，创建 1w 线程会崩溃。
  现在的虚拟线程使 Java 能够 创建数百万级轻量线程，但仍比 Go goroutine 稍重。