Java不支持协程?那是你不知道Quasar! 原创

发布于 2022-2-16 15:01
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春节不停更,此文正在参加「星光计划-春节更帖活动」


在编程语言的这个圈子里,各种语言之间的对比似乎就一直就没有停过,像什么古早时期的"PHP是世界上最好的语言"就不提了,最近我在摸鱼的时候,看到不少文章都在说"Golang性能吊打Java"。作为一个写了好几年java的javaer,这我怎么能忍?于是在网上看了一些对比golang和java的文章,其中戳中java痛点、也是golang被吹上天的一条,就是对多线程并发的支持了。先看一段描述:

Go从语言层面原生支持并发,并且使用简单,Go语言中的并发基于轻量级线程Goroutine,创建成本很低,单个Go应用也可以充分利用CPU多核,编写高并发服务端软件简单,执行性能好,很多情况下完全不需要考虑锁机制以及由此带来的各种问题。

看到这,我的心瞬间凉了大半截,真的是字字扎心。虽然说java里的JUC包已经帮我们封装好了很多并发工具,但实际高并发的环境中我们还要考虑到各种锁的使用,以及服务器性能瓶颈、限流熔断等非常多方面的问题。

再说回go,前面提到的这个goroutine究竟是什么东西?其实,轻量级线程goroutine也可以被称为协程,得益于go中的调度器以及GMP模型,go程序会智能地将goroutine中的任务合理地分配给每个 CPU。

好了,其实上面说的这一大段我也不懂,都是向写go的哥们儿请教来的,总之就是go的并发性能非常优秀就是了。不过这都不是我们要说的重点,今天我们要讨论的是如何在Java中使用协程。

协程是什么?

我们知道,线程在阻塞状态和可运行状态的切换,以及线程间的上下文切换都会造成性能的损耗。为了解决这些问题,引入协程coroutine这一概念,就像在一个进程中允许存在多个线程,在一个线程中,也可以存在多个协程。

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那么,使用协程究竟有什么好处呢?

首先,执行效率高。线程的切换由操作系统内核执行,消耗资源较多。而协程由程序控制,在用户态执行,不需要从用户态切换到内核态,我们也可以理解为,协程是一种进程自身来调度任务的调度模式,因此协程间的切换开销远小于线程切换。

其次,节省资源。因为协程在本质上是通过分时复用了一个单线程,因此能够节省一定的资源。

类似于线程的五种状态切换,协程间也存在状态的切换,下面这张图展示了协程调度器内部任务的流转。

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综合上面这些角度来看,和原生支持协程的go比起来,java在多线程并发上还真的是不堪一击。但是,虽然在Java官方的jdk中不能直接使用协程,但是,有其他的开源框架借助动态修改字节码的方式实现了协程,就比如我们接下来要学习的Quasar。

Quasar使用

Quasar是一个开源的Java协程框架,通过利用Java instrument技术对字节码进行修改,使方法挂起前后可以保存和恢复jvm栈帧,方法内部已执行到的字节码位置也通过增加状态机的方式记录,在下次恢复执行可直接跳转至最新位置。

Quasar项目最后更新时间为2018年,版本停留在0.8.0,但是我在直接使用这个版本时报了一个错误:

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这个错误的大意就是这个class文件是使用的高版本jdk编译的,所以你在低版本的jdk上当然无法运行了。这里major版本号54对应的是jdk10,而我使用的是jdk8,无奈降级试了一下低版本,果然0.7.10可以使用:

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

在我们做好准备工作后,下面就写几个例子来感受一下协程的魅力吧。

1、运行时间

下面我们模拟一个简单的场景,假设我们有一个任务,平均执行时间为1秒,分别测试一下使用线程和协程并发执行10000次需要消耗多少时间。

先通过线程进行调用,直接使用Executors线程池:

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");
}

查看运行时间:

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好了,下面我们再用Quasar中的协程跑一下和上面相同的流程。这里我们要使用的是Quasar中的Fiber,它可以被翻译为协程纤程,创建Fiber的类型主要可分为下面两类:

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

Fiber中可以运行无返回值的SuspendableRunnable或有返回值的SuspendableCallable,看这个名字也知道区别就是java中的RunnableCallable的区别了。其余参数都可以省略,name为协程的名称,scheduler是调度器,默认使用FiberForkJoinSchedulerstackSize指定用于保存fiber调用栈信息的stack大小。

在下面的代码中,使用了Fiber.sleep()方法进行协程的休眠,和Thread.sleep()非常类似。

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");
}

直接运行,报了一个警告:

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.

还记得我们前面说过的Quasar生效的原理是基于Java instrument技术吗,所以这里需要给它添加一个代理Agent。找到本地maven仓库中已经下好的jar包,在VM options中添加参数:

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

这次运行时就没有提示警告了,查看一下运行时间:

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运行时间只有使用线程池时的一半多一点,确实能大大缩短程序的效率。

2、内存占用

在测试完运行时间后,我们再来测试一下运行内存占用的对比。通过下面代码尝试在本地启动100万个线程:

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();
    }
}

本来以为会报OutOfMemoryError,但是没想到的是我的电脑直接直接卡死了…而且不是一次,试了几次都是以卡死只能重启电脑而结束。好吧,我选择放弃,那么下面再试试启动100万个Fiber协程。

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");
}

程序能够正常执行结束,看样子使用的内存真的比线程少很多。上面我故意使每个协程结束的时间拖得很长,这样我们就可以在运行过程中使用Java VisualVM查看内存的占用情况了:

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可以看到在使用Fiber的情况下只使用了1G多一点的内存,平均到100万个协程上也就是说每个Fiber只占用了1Kb左右的内存空间,和Thread线程比起来真的是非常的轻量级。

从上面这张图中我们也可以看到,运行了非常多的ForkJoinPool,它们又起到了什么作用呢?我们在前面说过,协程是由程序控制在用户态进行切换,而Quasar中的调度器就使用了一个或多个ForkJoinPool来完成对Fiber的调度。

3、原理与应用

这里简单介绍一下Quasar的原理,在编译时框架会对代码进行扫描,如果方法带有@Suspendable注解,或抛出了SuspendExecution,或在配置文件META-INF/suspendables中指定该方法,那么Quasar就会修改生成的字节码,在park挂起方法的前后,插入一些字节码。

这些字节码会记录此时协程的执行状态,例如相关的局部变量与操作数栈,然后通过抛出异常的方式将cpu的控制权从当前协程交回到控制器,此时控制器可以再调度另外一个协程运行,并通过之前插入的那些字节码恢复当前协程的执行状态,使程序能继续正常执行。

回头看一下前面例子中的SuspendableRunnableSuspendableCallable,它们的run方法上都抛出了SuspendExecution,其实这并不是一个真正的异常,仅作为识别挂起方法的声明,在实际运行中不会抛出。当我们创建了一个Fiber,并在其中调用了其他方法时,如果想要Quasar的调度器能够介入,那么必须在使用时层层抛出这个异常或添加注解。

看一下简单的代码书写的示例:

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,如果在方法内部已经通过try/catch的方式捕获了Exception,也应该再次手动抛出这个SuspendExecution异常。

总结

本文介绍了Quasar框架的简单使用,其具体的实现原理比较复杂,暂时就不在这里进行讨论,后面打算单独拎出来进行分析。另外,目前已经有不少其他的框架中已经集成了Quasar,例如同样是Parallel Universe下的Comsat项目,能够提供了HTTP和DB访问等功能。

虽然现在想要在Java中使用协程还只能使用这样的第三方的框架,但是也不必灰心,在OpenJDK 16中已经加入了一个名为Project Loom的项目, 在OpenJDK Wiki上可以看到对它的介绍,它将使用Fiber轻量级用户模式线程,从jvm层面对多线程技术进行彻底的改变,使用新的编程模型,使轻量级线程的并发也能够适用于高吞吐量的业务场景。

Quasar和Loom的相关的文档放在下面,有兴趣的小伙伴们可以自己看一下。

Quasar git:https://github.com/puniverse/quasar

Quasar api:http://docs.paralleluniverse.co/quasar/javadoc/

OpenJdk Wiki:https://wiki.openjdk.java.net/display/loom/Main

那么,这次的分享就到这里,我是Hydra,下期见。

作者简介,码农参上,一个热爱分享的公众号,有趣、深入、直接,与你聊聊技术。

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已于2022-2-16 15:06:44修改
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