在編程語言的這個圈子里，各種語言之間的對比似乎就一直就沒有停過，像什么古早時期的"PHP是世界上最好的語言"就不提了，最近我在摸魚的時候，看到不少文章都在說"Golang性能吊打Java"。作為一個寫了好幾年java的javaer，這我怎么能忍?于是在網上看了一些對比golang和java的文章，其中戳中java痛點、也是golang被吹上天的一條，就是對多線程并發(fā)的支持了。先看一段描述：

Go從語言層面原生支持并發(fā)，并且使用簡單，Go語言中的并發(fā)基于輕量級線程Goroutine，創(chuàng)建成本很低，單個Go應用也可以充分利用CPU多核，編寫高并發(fā)服務端軟件簡單，執(zhí)行性能好，很多情況下完全不需要考慮鎖機制以及由此帶來的各種問題。

看到這，我的心瞬間涼了大半截，真的是字字扎心。雖然說java里的JUC包已經幫我們封裝好了很多并發(fā)工具，但實際高并發(fā)的環(huán)境中我們還要考慮到各種鎖的使用，以及服務器性能瓶頸、限流熔斷等非常多方面的問題。

再說回go，前面提到的這個goroutine究竟是什么東西?其實，輕量級線程goroutine也可以被稱為協(xié)程，得益于go中的調度器以及GMP模型，go程序會智能地將goroutine中的任務合理地分配給每個 CPU。

好了，其實上面說的這一大段我也不懂，都是向寫go的哥們兒請教來的，總之就是go的并發(fā)性能非常優(yōu)秀就是了。不過這都不是我們要說的重點，今天我們要討論的是如何在Java中使用協(xié)程。

協(xié)程是什么?

我們知道，線程在阻塞狀態(tài)和可運行狀態(tài)的切換，以及線程間的上下文切換都會造成性能的損耗。為了解決這些問題，引入協(xié)程coroutine這一概念，就像在一個進程中允許存在多個線程，在一個線程中，也可以存在多個協(xié)程。

那么，使用協(xié)程究竟有什么好處呢?

首先，執(zhí)行效率高。線程的切換由操作系統(tǒng)內核執(zhí)行，消耗資源較多。而協(xié)程由程序控制，在用戶態(tài)執(zhí)行，不需要從用戶態(tài)切換到內核態(tài)，我們也可以理解為，協(xié)程是一種進程自身來調度任務的調度模式，因此協(xié)程間的切換開銷遠小于線程切換。

其次，節(jié)省資源。因為協(xié)程在本質上是通過分時復用了一個單線程，因此能夠節(jié)省一定的資源。

類似于線程的五種狀態(tài)切換，協(xié)程間也存在狀態(tài)的切換，下面這張圖展示了協(xié)程調度器內部任務的流轉。

綜合上面這些角度來看，和原生支持協(xié)程的go比起來，java在多線程并發(fā)上還真的是不堪一擊。但是，雖然在Java官方的jdk中不能直接使用協(xié)程，但是，有其他的開源框架借助動態(tài)修改字節(jié)碼的方式實現了協(xié)程，就比如我們接下來要學習的Quasar。

Quasar使用

Quasar是一個開源的Java協(xié)程框架，通過利用Java instrument技術對字節(jié)碼進行修改，使方法掛起前后可以保存和恢復jvm棧幀，方法內部已執(zhí)行到的字節(jié)碼位置也通過增加狀態(tài)機的方式記錄，在下次恢復執(zhí)行可直接跳轉至最新位置。

Quasar項目最后更新時間為2018年，版本停留在0.8.0，但是我在直接使用這個版本時報了一個錯誤：

這個錯誤的大意就是這個class文件是使用的高版本jdk編譯的，所以你在低版本的jdk上當然無法運行了。這里major版本號54對應的是jdk10，而我使用的是jdk8，無奈降級試了一下低版本，果然0.7.10可以使用：

<dependency>
    <groupId>co.paralleluniverse</groupId>
    <artifactId>quasar-core</artifactId>
    <version>0.7.10</version>
</dependency>

在我們做好準備工作后，下面就寫幾個例子來感受一下協(xié)程的魅力吧。

1、運行時間

下面我們模擬一個簡單的場景，假設我們有一個任務，平均執(zhí)行時間為1秒，分別測試一下使用線程和協(xié)程并發(fā)執(zhí)行10000次需要消耗多少時間。

先通過線程進行調用，直接使用Executors線程池：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(10000);
    long start = System.currentTimeMillis();
    ExecutorService executor= Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        executor.submit(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("Thread use:"+(end-start)+" ms");
}

查看運行時間：

好了，下面我們再用Quasar中的協(xié)程跑一下和上面相同的流程。這里我們要使用的是Quasar中的Fiber，它可以被翻譯為協(xié)程或纖程，創(chuàng)建Fiber的類型主要可分為下面兩類：

public Fiber(String name, FiberScheduler scheduler, int stackSize, SuspendableRunnable target);
public Fiber(String name, FiberScheduler scheduler, int stackSize, SuspendableCallable<V> target);

在Fiber中可以運行無返回值的SuspendableRunnable或有返回值的SuspendableCallable，看這個名字也知道區(qū)別就是java中的Runnable和Callable的區(qū)別了。其余參數都可以省略，name為協(xié)程的名稱，scheduler是調度器，默認使用FiberForkJoinScheduler，stackSize指定用于保存fiber調用棧信息的stack大小。

在下面的代碼中，使用了Fiber.sleep()方法進行協(xié)程的休眠，和Thread.sleep()非常類似。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(10000);
    long start = System.currentTimeMillis();

    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        new Fiber<>(new SuspendableRunnable(){
            @Override
            public Integer run() throws SuspendExecution, InterruptedException {
                Fiber.sleep(1000);
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).start();
    }

    countDownLatch.await();
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("Fiber use:"+(end-start)+" ms");
}

直接運行，報了一個警告：

QUASAR WARNING: Quasar Java Agent isn't running. If you're using another instrumentation method you can ignore this message; otherwise, please refer to the Getting Started section in the Quasar documentation.

還記得我們前面說過的Quasar生效的原理是基于Java instrument技術嗎，所以這里需要給它添加一個代理Agent。找到本地maven倉庫中已經下好的jar包，在VM options中添加參數：

-javaagent:E:\Apache\maven-repository\co\paralleluniverse\quasar-core\0.7.10\quasar-core-0.7.10.jar

這次運行時就沒有提示警告了，查看一下運行時間：

運行時間只有使用線程池時的一半多一點，確實能大大縮短程序的效率。

2、內存占用

在測試完運行時間后，我們再來測試一下運行內存占用的對比。通過下面代碼嘗試在本地啟動100萬個線程：

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

本來以為會報OutOfMemoryError，但是沒想到的是我的電腦直接直接卡死了…而且不是一次，試了幾次都是以卡死只能重啟電腦而結束。好吧，我選擇放棄，那么下面再試試啟動100萬個Fiber協(xié)程。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(10000);
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        int finalI = i;
        new Fiber<>((SuspendableCallable<Integer>)()->{
            Fiber.sleep(100000);
            countDownLatch.countDown();
            return finalI;
        }).start();
    }
    countDownLatch.await();
    System.out.println("end");
}

程序能夠正常執(zhí)行結束，看樣子使用的內存真的比線程少很多。上面我故意使每個協(xié)程結束的時間拖得很長，這樣我們就可以在運行過程中使用Java VisualVM查看內存的占用情況了：

可以看到在使用Fiber的情況下只使用了1G多一點的內存，平均到100萬個協(xié)程上也就是說每個Fiber只占用了1Kb左右的內存空間，和Thread線程比起來真的是非常的輕量級。

從上面這張圖中我們也可以看到，運行了非常多的ForkJoinPool，它們又起到了什么作用呢?我們在前面說過，協(xié)程是由程序控制在用戶態(tài)進行切換，而Quasar中的調度器就使用了一個或多個ForkJoinPool來完成對Fiber的調度。

3、原理與應用

這里簡單介紹一下Quasar的原理，在編譯時框架會對代碼進行掃描，如果方法帶有@Suspendable注解，或拋出了SuspendExecution，或在配置文件META-INF/suspendables中指定該方法，那么Quasar就會修改生成的字節(jié)碼，在park掛起方法的前后，插入一些字節(jié)碼。

這些字節(jié)碼會記錄此時協(xié)程的執(zhí)行狀態(tài)，例如相關的局部變量與操作數棧，然后通過拋出異常的方式將cpu的控制權從當前協(xié)程交回到控制器，此時控制器可以再調度另外一個協(xié)程運行，并通過之前插入的那些字節(jié)碼恢復當前協(xié)程的執(zhí)行狀態(tài)，使程序能繼續(xù)正常執(zhí)行。

回頭看一下前面例子中的SuspendableRunnable和SuspendableCallable，它們的run方法上都拋出了SuspendExecution，其實這并不是一個真正的異常，僅作為識別掛起方法的聲明，在實際運行中不會拋出。當我們創(chuàng)建了一個Fiber，并在其中調用了其他方法時，如果想要Quasar的調度器能夠介入，那么必須在使用時層層拋出這個異常或添加注解。

看一下簡單的代碼書寫的示例：

public void request(){
    new Fiber<>(new SuspendableRunnable() {
        @Override
        public void run() throws SuspendExecution, InterruptedException {
            String content = sendRequest();
            System.out.println(content);
        }
    }).start();
}

private String sendRequest() throws SuspendExecution {
    return realSendRequest();
}

private String realSendRequest() throws SuspendExecution{
    HttpResponse response = HttpRequest.get("http://127.0.0.1:6879/name").execute();
    String content = response.body();
    return content;
}

需要注意的是，如果在方法內部已經通過try/catch的方式捕獲了Exception，也應該再次手動拋出這個SuspendExecution異常。

總結

本文介紹了Quasar框架的簡單使用，其具體的實現原理比較復雜，暫時就不在這里進行討論，后面打算單獨拎出來進行分析。另外，目前已經有不少其他的框架中已經集成了Quasar，例如同樣是Parallel Universe下的Comsat項目，能夠提供了HTTP和DB訪問等功能。

雖然現在想要在Java中使用協(xié)程還只能使用這樣的第三方的框架，但是也不必灰心，在OpenJDK 16中已經加入了一個名為Project Loom的項目， 在OpenJDK Wiki上可以看到對它的介紹，它將使用Fiber輕量級用戶模式線程，從jvm層面對多線程技術進行徹底的改變，使用新的編程模型，使輕量級線程的并發(fā)也能夠適用于高吞吐量的業(yè)務場景。