Java 不支持协程？那是你不知道 Quasar！

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。

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。

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：

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：

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或纤程，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);

在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Runnable和Callable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FiberForkJoinScheduler，stackSize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：

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：

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SuspendableRunnable和SuspendableCallable，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

最后

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