Java 誕生距今已有 25 年，但它仍然長(zhǎng)期占據(jù)著“天下第一”編程語(yǔ)言的寶座。只是其統(tǒng)治地位并非堅(jiān)不可摧，反倒可以說是危機(jī)四伏。云原生時(shí)代，Java 技術(shù)體系的許多前提假設(shè)都受到了挑戰(zhàn)，目前已經(jīng)有可預(yù)見的、足以威脅動(dòng)搖其根基的潛在可能性正在醞釀。同時(shí)，像 Golang、Rust 這樣的新生語(yǔ)言，以及 C、C++、C#、Python 等老對(duì)手也都對(duì) Java 的市場(chǎng)份額虎視眈眈。面對(duì)危機(jī)，Java 正在嘗試哪些變革？未來，Java 是會(huì)繼續(xù)向前、再攀高峰，還是由盛轉(zhuǎn)衰？在今天由極客邦科技舉辦的 QCon 全球軟件開發(fā)大會(huì) 2020（深圳站）上，遠(yuǎn)光軟件研究院院長(zhǎng)、《深入理解 Java 虛擬機(jī)》系列書籍作者周志明發(fā)表了主題演講《云原生時(shí)代的 Java》，以下內(nèi)容為演講整理。

今天，25歲的Java仍然是最具有統(tǒng)治力的編程語(yǔ)言，長(zhǎng)期占據(jù)編程語(yǔ)言排行榜的首位，擁有一千二百萬的龐大開發(fā)者群體，全世界有四百五十億部物理設(shè)備使用著Java技術(shù)，同時(shí)，在云端數(shù)據(jù)中心的虛擬化環(huán)境里，還運(yùn)行著超過兩百五十億個(gè)Java虛擬機(jī)的進(jìn)程實(shí)例（數(shù)據(jù)來自O(shè)racle的WebCast）。

以上這些數(shù)據(jù)是Java過去25年巨大成就的功勛佐證，更是Java技術(shù)體系維持自己“天下第一”編程語(yǔ)言的堅(jiān)實(shí)壁壘。Java與其他語(yǔ)言競(jìng)爭(zhēng)，底氣從來不在于語(yǔ)法、類庫(kù)有多么先進(jìn)好用，而是來自它龐大的用戶群和極其成熟的軟件生態(tài)，這在朝夕之間難以撼動(dòng)。然而，這個(gè)現(xiàn)在看起來仍然堅(jiān)不可摧的Java帝國(guó)，其統(tǒng)治地位的穩(wěn)固程度不僅沒有高枕無憂，反而說是危機(jī)四伏也不為過。目前已經(jīng)有了可預(yù)見的、足以威脅動(dòng)搖其根基的潛在可能性正在醞釀，并隨云原生時(shí)代而降臨。

Java 的危機(jī)

Java與云原生的矛盾，來源于Java誕生之初，植入到它基因之中的一些基本的前提假設(shè)已經(jīng)逐漸開始被動(dòng)搖，甚至已經(jīng)不再成立。

我舉個(gè)例子，每一位Java的使用者都聽說過“一次編寫，到處運(yùn)行”（Write Once， Run Anywhere）這句口號(hào)。20多年前，Java成熟之前，開發(fā)者如果希望程序在Linux、Solaris、Windows等不同平臺(tái)，在x86、AMD64、SPARC、MIPS、ARM等不同指令集架構(gòu)上都能正常運(yùn)行，就必須針對(duì)每種組合，編譯出對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制發(fā)行包，或者索性直接分發(fā)源代碼，由使用者在自己的平臺(tái)上編譯。

面對(duì)這個(gè)問題，Java通過語(yǔ)言層虛擬化的方式，令每一個(gè)Java應(yīng)用都自動(dòng)取得平臺(tái)無關(guān)（Platform Independent）、架構(gòu)中立（Architecture Neutral）的先天優(yōu)勢(shì)，讓同一套程序格式得以在不同指令集架構(gòu)、不同操作系統(tǒng)環(huán)境下都能運(yùn)行且得到一致的結(jié)果，不僅方便了程序的分發(fā)，還避免了各種平臺(tái)下內(nèi)存模型、線程模型、字節(jié)序等底層細(xì)節(jié)差異對(duì)程序編寫的干擾。在當(dāng)年，Java的這種設(shè)計(jì)帶有令人趨之若鶩的強(qiáng)大吸引力，直接開啟了托管語(yǔ)言（Managed Language，如Java、.NET）的一段興盛期。

面對(duì)相同的問題，今天的云原生選擇以操作系統(tǒng)層虛擬化的方式，通過容器實(shí)現(xiàn)的不可變基礎(chǔ)設(shè)施去解決。不可變基礎(chǔ)設(shè)施這個(gè)概念出現(xiàn)得比云原生要早，原本是指該如何避免由于運(yùn)維人員對(duì)服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境所做的持續(xù)的變更而導(dǎo)致的意想不到的副作用。但在云原生時(shí)代，它的內(nèi)涵已不再局限于方便運(yùn)維、程序升級(jí)和部署的手段，而是升華一種為向應(yīng)用代碼隱藏環(huán)境復(fù)雜性的手段，是分布式服務(wù)得以成為一種可普遍推廣的普適架構(gòu)風(fēng)格的必要前提。

將程序連同它的運(yùn)行環(huán)境一起封裝到穩(wěn)定的鏡像里，現(xiàn)已是一種主流的應(yīng)用程序分發(fā)方式。Docker同樣提出過“一次構(gòu)建，到處運(yùn)行”（Build Once， Run Anywhere）的口號(hào)，盡管它只能提供環(huán)境兼容性和有局限的平臺(tái)無關(guān)性（指系統(tǒng)內(nèi)核功能以上的ABI兼容），且完全不可能支撐架構(gòu)中立性，所以將“一次構(gòu)建，到處運(yùn)行”與“一次編寫，到處運(yùn)行”對(duì)立起來并不嚴(yán)謹(jǐn)恰當(dāng)，但是無可否認(rèn)，今天Java技術(shù)“一次編譯，到處運(yùn)行”的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被容器大幅度地削弱，不再是大多數(shù)服務(wù)端開發(fā)者技術(shù)選型的主要考慮因素了。

如果僅僅是優(yōu)勢(shì)的削弱，并不足以成為Java的直接威脅，充其量只是一個(gè)潛在的不利因素，但更加迫在眉睫的風(fēng)險(xiǎn)來自于那些與技術(shù)潮流直接沖突的假設(shè)。譬如，Java總體上是面向大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的服務(wù)端應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，嚴(yán)（luō）謹(jǐn)（suō）的語(yǔ)法利于約束所有人寫出較一致的代碼;靜態(tài)類型動(dòng)態(tài)鏈接的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，利于多人協(xié)作開發(fā)，讓軟件觸及更大規(guī)模;即時(shí)編譯器、性能制導(dǎo)優(yōu)化、垃圾收集子系統(tǒng)等Java最具代表性的技術(shù)特征，都是為了便于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的程序能享受到硬件規(guī)模發(fā)展的紅利。

另一方面，在微服務(wù)的背景下，提倡服務(wù)圍繞業(yè)務(wù)能力而非技術(shù)來構(gòu)建應(yīng)用，不再追求實(shí)現(xiàn)上的一致，一個(gè)系統(tǒng)由不同語(yǔ)言，不同技術(shù)框架所實(shí)現(xiàn)的服務(wù)來組成是完全合理的;服務(wù)化拆分后，很可能單個(gè)微服務(wù)不再需要再面對(duì)數(shù)十、數(shù)百GB乃至TB的內(nèi)存;有了高可用的服務(wù)集群，也無須追求單個(gè)服務(wù)要7×24小時(shí)不可間斷地運(yùn)行，它們隨時(shí)可以中斷和更新。

同時(shí)，微服務(wù)又對(duì)應(yīng)用的容器化親和性，譬如鏡像體積、內(nèi)存消耗、啟動(dòng)速度，以及達(dá)到最高性能的時(shí)間等方面提出了新的要求。這兩年的網(wǎng)紅概念Serverless也進(jìn)一步增加這些因素的考慮權(quán)重，而這些卻正好都是Java的弱項(xiàng)：哪怕再小的Java程序也要帶著完整的虛擬機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)類庫(kù)，使得鏡像拉取和容器創(chuàng)建效率降低，進(jìn)而使整個(gè)容器生命周期拉長(zhǎng)?；贘ava虛擬機(jī)的執(zhí)行機(jī)制，使得任何Java的程序都會(huì)有固定的基礎(chǔ)內(nèi)存開銷，以及固定的啟動(dòng)時(shí)間，而且Java生態(tài)中廣泛采用的依賴注入進(jìn)一步將啟動(dòng)時(shí)間拉長(zhǎng)，使得容器的冷啟動(dòng)時(shí)間很難縮短。

軟件工業(yè)中已經(jīng)出現(xiàn)過不止一起因Java這些弱點(diǎn)而導(dǎo)致失敗的案例，如JRuby編寫的Logstash，原本是同時(shí)承擔(dān)部署在節(jié)點(diǎn)上的收集端（Shipper）和專門轉(zhuǎn)換處理的服務(wù)端（Master）的職責(zé)，后來因?yàn)橘Y源占用的原因，被Elstaic.co用Golang的Filebeat代替了Shipper部分的職能;又如Scala語(yǔ)言編寫的邊車代理Linkerd，作為服務(wù)網(wǎng)格概念的提出者，卻最終被Envoy所取代，其主要弱點(diǎn)之一也是由于Java虛擬機(jī)的資源消耗所帶來的劣勢(shì)。

雖然在云原生時(shí)代依然有很多適合Java發(fā)揮的領(lǐng)域，但是具備彈性與韌性、隨時(shí)可以中斷重啟的微型服務(wù)的確已經(jīng)形成了一股潮流，在逐步蠶食大型系統(tǒng)的領(lǐng)地。正是由于潮流趨勢(shì)的改變，新一代的語(yǔ)言與技術(shù)尤其重視輕量化和快速響應(yīng)能力，大多又重新回歸到了原生語(yǔ)言（Native Language，如Golang、Rust）之上。

Java 的變革

面對(duì)挑戰(zhàn)，Java的開發(fā)者和社區(qū)都沒有退縮，它們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域給出了很多優(yōu)秀的解決方案，涌現(xiàn)了如Quarkus、Micronaut、Helidon等一大批以提升Java在云原生環(huán)境下的適應(yīng)性為賣點(diǎn)的框架。

不過，今天我們的主題將聚焦在由Java官方本身所推進(jìn)的項(xiàng)目上。在圍繞Java 25周年的研討和布道活動(dòng)中，官方的設(shè)定是以“面向未來的變革”（Innovating for the Future）為基調(diào)，你有可能在此之前已經(jīng)聽說過其中某個(gè)（某些）項(xiàng)目的名字和改進(jìn)點(diǎn)，但這里我們不僅關(guān)心這些項(xiàng)目改進(jìn)的是什么，還更關(guān)心它們背后的動(dòng)機(jī)與困難、帶來的收益，以及要付出的代價(jià)。

Innovating for the Future

Project Leyden

對(duì)于原生語(yǔ)言的挑戰(zhàn)，最有力最徹底的反擊手段無疑是將字節(jié)碼直接編譯成可以脫離Java虛擬機(jī)的原生代碼。如果真的能夠生成脫離Java虛擬機(jī)運(yùn)行的原生程序，將意味著啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的問題能夠徹底解決，因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)不存在初始化虛擬機(jī)和類加載的過程;也意味著程序馬上就能達(dá)到最佳的性能，因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)不存在即時(shí)編譯器運(yùn)行時(shí)編譯，所有代碼都是在編譯期編譯和優(yōu)化好的（如下圖所示）;沒有了Java虛擬機(jī)、即時(shí)編譯器這些額外的部件，也就意味著能夠省去它們?cè)鞠牡哪遣糠謨?nèi)存資源與鏡像體積。

Java Performance Matrices（圖片來源）

但同時(shí)，這也是風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最高、實(shí)現(xiàn)難度最大的方案。

Java并非沒有嘗試走過這條路，從Java 2之前的GCJ（GNU Compiler for Java），到后來的Excelsior JET，再到2018年Oracle Labs啟動(dòng)的GraalVM中的SubstrateVM模塊，最后到2020年中期剛建立的Leyden項(xiàng)目，都在朝著提前編譯（Ahead-of-Time Compilation，AOT）生成原生程序這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)。

Java支持提前編譯最大的困難在于它是一門動(dòng)態(tài)鏈接的語(yǔ)言，它假設(shè)程序的代碼空間是開放的（Open World），允許在程序的任何時(shí)候通過類加載器去加載新的類，作為程序的一部分運(yùn)行。要進(jìn)行提前編譯，就必須放棄這部分動(dòng)態(tài)性，假設(shè)程序的代碼空間是封閉的（Closed World），所有要運(yùn)行的代碼都必須在編譯期全部可知。這一點(diǎn)不僅僅影響到了類加載器的正常運(yùn)作，除了無法再動(dòng)態(tài)加載外，反射（通過反射可以調(diào)用在編譯期不可知的方法）、動(dòng)態(tài)代理、字節(jié)碼生成庫(kù)（如CGLib）等一切會(huì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生新代碼的功能都不再可用，如果將這些基礎(chǔ)能力直接抽離掉，Helloworld還是能跑起來，但Spring肯定跑不起來，Hibernate也跑不起來，大部分的生產(chǎn)力工具都跑不起來，整個(gè)Java生態(tài)中絕大多數(shù)上層建筑都會(huì)轟然崩塌。

要獲得有實(shí)用價(jià)值的提前編譯能力，只有依靠提前編譯器、組件類庫(kù)和開發(fā)者三方一起協(xié)同才可能辦到。由于Leyden剛剛開始，幾乎沒有公開的資料，所以下面我是以SubstrateVM為目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行的介紹：

有一些功能，像反射這樣的基礎(chǔ)特性是不可能妥協(xié)的，折衷的解決辦法是由用戶在編譯期，以配置文件或者編譯器參數(shù)的形式，明確告知編譯器程序代碼中有哪些方法是只通過反射來訪問的，編譯器將方法的添加到靜態(tài)編譯的范疇之中。同理，所有使用到動(dòng)態(tài)代理的地方，也必須在事先列明，在編譯期就將動(dòng)態(tài)代理的字節(jié)碼全部生成出來。其他所有無法通過程序指針分析（Points-To Analysis）得到的信息，譬如程序中用到的資源、配置文件等等，也必須照此處理。

另一些功能，如動(dòng)態(tài)生成字節(jié)碼也十分常用，但用戶自己往往無法得知那些動(dòng)態(tài)字節(jié)碼的具體信息，就只能由用到CGLib、javassist等庫(kù)的程序去妥協(xié)放棄。在Java世界中也許最典型的場(chǎng)景就是Spring用CGLib來進(jìn)行類增強(qiáng)，默認(rèn)情況下，每一個(gè)Spring管理的Bean都要用到CGLib。從Spring Framework 5.2開始增加了@proxyBeanMethods注解來排除對(duì)CGLib的依賴，僅使用標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)代理去增強(qiáng)類。

2019年起，Pivotal的Spring團(tuán)隊(duì)與Oracle Labs的GraalVM團(tuán)隊(duì)共同孵化了Spring GraalVM Native項(xiàng)目，這個(gè)目前仍處于Experimental / Alpha狀態(tài)的項(xiàng)目，能夠讓程序先以傳統(tǒng)方式運(yùn)行（啟動(dòng)）一次，自動(dòng)化地找出程序中的反射、動(dòng)態(tài)代理的代碼，代替用戶向編譯器提供絕大部分所需的信息，并能將允許啟動(dòng)時(shí)初始化的Bean在編譯期就完成初始化，直接繞過Spring程序啟動(dòng)最慢的階段。這樣從啟動(dòng)到程序可以提供服務(wù)，耗時(shí)竟能夠低于0.1秒。

Spring Boot Startup Time（數(shù)據(jù)來源）

以原生方式運(yùn)行后，縮短啟動(dòng)時(shí)間的效果立竿見影，一般會(huì)有數(shù)十倍甚至更高的改善，程序容量和內(nèi)存消耗也有一定程度的下降。不過至少目前而言，程序的運(yùn)行效率還是要弱于傳統(tǒng)基于Java虛擬機(jī)的方式，雖然即時(shí)編譯器有編譯時(shí)間的壓力，但由于可以進(jìn)行基于假設(shè)的激進(jìn)優(yōu)化和運(yùn)行時(shí)性能度量的制導(dǎo)優(yōu)化，使得即時(shí)編譯器的效果仍要優(yōu)于提前編譯器，這方面需要GraalVM編譯器團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步努力，也需要從語(yǔ)言改進(jìn)上入手，讓Java變得更適合被編譯器優(yōu)化。

Project Valhalla

Java語(yǔ)言上可感知的語(yǔ)法變化，多數(shù)來自于Amber項(xiàng)目，它的項(xiàng)目目標(biāo)是持續(xù)優(yōu)化語(yǔ)言生產(chǎn)力，近期（JDK 15、16）會(huì)有很多來自這個(gè)項(xiàng)目的特性，如Records、Sealed Class、Pattern Matching、Raw String Literals等實(shí)裝到生產(chǎn)環(huán)境。

然而語(yǔ)法不僅與編碼效率相關(guān)，與運(yùn)行效率也有很大關(guān)系?！俺绦?代碼+數(shù)據(jù)”這個(gè)提法至少在衡量運(yùn)行效率上是合適的，無論是托管語(yǔ)言還是原生語(yǔ)言，最終產(chǎn)物都是處理器執(zhí)行的指令流和內(nèi)存存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Java、.NET、C、C++、Golang、Rust等各種語(yǔ)言誰更快，取決于特定場(chǎng)景下，編譯器生成指令流的優(yōu)化效果，以及數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)布局。

Java即時(shí)編譯器的優(yōu)化效果拔群，但是由于Java“一切皆為對(duì)象”的前提假設(shè)，導(dǎo)致在處理一系列不同類型的小對(duì)象時(shí)，內(nèi)存訪問性能非常拉垮，這點(diǎn)是Java在游戲、圖形處理等領(lǐng)域一直難有建樹的重要制約因素，也是Java建立Valhalla項(xiàng)目的目標(biāo)初衷。

這里舉個(gè)例子來說明此問題，如果我想描述空間里面若干條線段的集合，在Java中定義的代碼會(huì)是這樣的：

面向?qū)ο蟮膬?nèi)存布局中，對(duì)象標(biāo)識(shí)符（Object Identity）存在的目的是為了允許在不暴露對(duì)象結(jié)構(gòu)的前提下，依然可以引用其屬性與行為，這是面向?qū)ο缶幊讨卸鄳B(tài)性的基礎(chǔ)。在Java中堆內(nèi)存分配和回收、空值判斷、引用比較、同步鎖等一系列功能都會(huì)涉及到對(duì)象標(biāo)識(shí)符，內(nèi)存訪問也是依靠對(duì)象標(biāo)識(shí)符來進(jìn)行鏈?zhǔn)教幚淼?，譬如上面代碼中的“若干條線段的集合”，在堆內(nèi)存中將構(gòu)成如下圖的引用關(guān)系：

Object Identity / Memory Layout

計(jì)算機(jī)硬件經(jīng)過25年的發(fā)展，內(nèi)存與處理器雖然都在進(jìn)步，但是內(nèi)存延遲與處理器執(zhí)行性能之間的馮諾依曼瓶頸（Von Neumann Bottleneck）不僅沒有縮減，反而還在持續(xù)加大，“RAM Is the New Disk”已經(jīng)從嘲諷梗逐漸成為了現(xiàn)實(shí)。

一次內(nèi)存訪問（將主內(nèi)存數(shù)據(jù)調(diào)入處理器Cache）大約需要耗費(fèi)數(shù)百個(gè)時(shí)鐘周期，而大部分簡(jiǎn)單指令的執(zhí)行只需要一個(gè)時(shí)鐘周期而已。因此，在程序執(zhí)行性能這個(gè)問題上，如果編譯器能減少一次內(nèi)存訪問，可能比優(yōu)化掉幾十、幾百條其他指令都來得更有效果。

額外知識(shí)：馮諾依曼瓶頸

不同處理器（現(xiàn)代處理器都集成了內(nèi)存管理器，以前是在北橋芯片中）的內(nèi)存延遲大概是40-80納秒（ns，十億分之一秒），而根據(jù)不同的時(shí)鐘頻率，一個(gè)時(shí)鐘周期大概在0.2-0.4納秒之間，如此短暫的時(shí)間內(nèi)，即使真空中傳播的光，也僅僅能夠行進(jìn)10厘米左右。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理器執(zhí)行的速度矛盾是馮諾依曼架構(gòu)的主要局限性之一，1977年的圖靈獎(jiǎng)得主John Backus提出了“馮諾依曼瓶頸”這個(gè)概念，專門用來描述這種局限性。

編譯器的確在努力減少內(nèi)存訪問，從JDK 6起，HotSpot的即時(shí)編譯器就嘗試通過逃逸分析來做標(biāo)量替換（Scalar Replacement）和棧上分配（Stack Allocations）優(yōu)化，基本原理是如果能通過分析，得知一個(gè)對(duì)象不會(huì)傳遞到方法之外，那就不需要真實(shí)地在對(duì)中創(chuàng)建完整的對(duì)象布局，完全可以繞過對(duì)象標(biāo)識(shí)符，將它拆散為基本的原生數(shù)據(jù)類型來創(chuàng)建，甚至是直接在棧內(nèi)存中分配空間（HotSpot并沒有這樣做），方法執(zhí)行完畢后隨著棧幀一起銷毀掉。

不過，逃逸分析是一種過程間優(yōu)化（Interprocedural Optimization），非常耗時(shí)，也很難處理那些理論有可能但實(shí)際不存在的情況。相同的問題在C、C++中卻并不存在，上面場(chǎng)景中，程序員只要將Point和Line都定義為struct即可，C#中也有struct，是依靠.NET的值類型（Value Type）來實(shí)現(xiàn)的。Valhalla項(xiàng)目的核心改進(jìn)就是提供類似的值類型支持，提供一個(gè)新的關(guān)鍵字（inline），讓用戶可以在不需要向方法外部暴露對(duì)象、不需要多態(tài)性支持、不需要將對(duì)象用作同步鎖的場(chǎng)合中，將類標(biāo)識(shí)為值類型，此時(shí)編譯器就能夠繞過對(duì)象標(biāo)識(shí)符，以平坦的、緊湊的方式去為對(duì)象分配內(nèi)存。

有了值類型的支持后，現(xiàn)在Java泛型中令人詬病的不支持原數(shù)據(jù)類型（Primitive Type）、頻繁裝箱問題也就隨之迎刃而解，現(xiàn)在Java的包裝類，理所當(dāng)然地會(huì)以代表原生類型的值類型來重新定義，這樣Java泛型的性能會(huì)得到明顯的提升，因?yàn)榇藭r(shí)Integer與int的訪問，在機(jī)器層面看完全可以達(dá)到一致的效率。

Project Loom

Java語(yǔ)言抽象出來隱藏了各種操作系統(tǒng)線程差異性的統(tǒng)一線程接口，這曾經(jīng)是它區(qū)別于其他編程語(yǔ)言（C/C++表示有被冒犯到）的一大優(yōu)勢(shì)，不過，統(tǒng)一的線程模型不見得永遠(yuǎn)都是正確的。

Java目前主流的線程模型是直接映射到操作系統(tǒng)內(nèi)核上的1:1模型，這對(duì)于計(jì)算密集型任務(wù)這很合適，既不用自己去做調(diào)度，也利于一條線程跑滿整個(gè)處理器核心。但對(duì)于I/O密集型任務(wù)，譬如訪問磁盤、訪問數(shù)據(jù)庫(kù)占主要時(shí)間的任務(wù)，這種模型就顯得成本高昂，主要在于內(nèi)存消耗和上下文切換上：64位Linux上HotSpot的線程棧容量默認(rèn)是1MB，線程的內(nèi)核元數(shù)據(jù)（Kernel Metadata）還要額外消耗2-16KB內(nèi)存，所以單個(gè)虛擬機(jī)的最大線程數(shù)量一般只會(huì)設(shè)置到200至400條，當(dāng)程序員把數(shù)以百萬計(jì)的請(qǐng)求往線程池里面灌時(shí)，系統(tǒng)即便能處理得過來，其中的切換損耗也相當(dāng)可觀。

Loom項(xiàng)目的目標(biāo)是讓Java支持額外的N:M線程模型，請(qǐng)注意是“額外支持”，而不是像當(dāng)年從綠色線程過渡到內(nèi)核線程那樣的直接替換，也不是像Solaris平臺(tái)的HotSpot虛擬機(jī)那樣通過參數(shù)讓用戶二選其一。

Loom項(xiàng)目新增加一種“虛擬線程”（Virtual Thread，以前以Fiber為名進(jìn)行宣傳過，但因?yàn)橐l繁解釋啥是Fiber所以現(xiàn)在放棄了），本質(zhì)上它是一種有棧協(xié)程（Stackful Coroutine），多條虛擬線程可以映射到同一條物理線程之中，在用戶空間中自行調(diào)度，每條虛擬線程的棧容量也可由用戶自行決定。

Virtual Thread

同時(shí)，Loom項(xiàng)目的另一個(gè)目標(biāo)是要盡最大可能保持原有統(tǒng)一線程模型的交互方式，通俗地說就是原有的Thread、J.U.C、NIO、Executor、Future、ForkJoinPool等這些多線程工具都應(yīng)該能以同樣的方式支持新的虛擬線程，原來多線程中你理解的概念、編碼習(xí)慣大多數(shù)都能夠繼續(xù)沿用。

為此，虛擬線程將會(huì)與物理線程一樣使用java.lang.Thread來進(jìn)行抽象，只是在創(chuàng)建線程時(shí)用到的參數(shù)或者方法稍有不同（譬如給Thread增加一個(gè)Thread.VIRTUAL_THREAD參數(shù)，或者增加一個(gè)startVirtualThread（）方法）。這樣現(xiàn)有的多線程代碼遷移到虛擬線程中的成本就會(huì)變得很低，而代價(jià)就是Loom的團(tuán)隊(duì)必須做更多的工作以保證虛擬線程在大部分涉及到多線程的標(biāo)準(zhǔn)API中都能夠兼容，甚至在調(diào)試器上虛擬線程與物理線程看起來都會(huì)有一致的外觀。但很難全部都支持，譬如調(diào)用JNI的本地棧幀就很難放到虛擬線程上，所以一旦遇到本地方法，虛擬線程就會(huì)被綁定（Pinned）到一條物理線程上。

Loom的另一個(gè)重點(diǎn)改進(jìn)是支持結(jié)構(gòu)化并發(fā)（Structured Concurrency），這是2016年才提出的新的并發(fā)編程概念，但很快就被諸多編程語(yǔ)言所吸納。它是指程序的并發(fā)行為會(huì)與代碼的結(jié)構(gòu)對(duì)齊，譬如以下代碼所示，按照傳統(tǒng)的編程觀念，如果沒有額外的處理（譬如無中生有地弄一個(gè)await關(guān)鍵字），那在task1和task2提交之后，程序應(yīng)該繼續(xù)向下執(zhí)行：

但是在結(jié)構(gòu)化并發(fā)的支持下，只有兩個(gè)并行啟動(dòng)的任務(wù)線程都結(jié)束之后，程序才會(huì)繼續(xù)向下執(zhí)行，很好地以同步的編碼風(fēng)格，來解決異步的執(zhí)行問題。事實(shí)上，“Code like sync，Work like async”正是Loom簡(jiǎn)化并發(fā)編程的核心理念。

Project Portola

Portola項(xiàng)目的目標(biāo)是將OpenJDK向Alpine Linux移植。Alpine Linux是許多Docker容器首選的基礎(chǔ)鏡像，因?yàn)樗挥? MB大小，比起其他Cent OS、Debain等動(dòng)輒一百多MB的發(fā)行版來說，更適合用于容器環(huán)境。不過Alpine Linux為了盡量瘦身，默認(rèn)是用musl作為C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的，而非傳統(tǒng)的glibc（GNU C library），因此要以Alpine Linux為基礎(chǔ)制作OpenJDK鏡像，必須先安裝glibc，此時(shí)基礎(chǔ)鏡像大約有12 MB。Portola計(jì)劃將OpenJDK的上游代碼移植到musl，并通過兼容性測(cè)試。使用Portola制作的標(biāo)準(zhǔn)Java SE 13鏡像僅有41 MB，不僅遠(yuǎn)低于Cent OS的OpenJDK（大約396 MB），也要比官方的slim版（約200 MB）要小得多。

Java 的未來

云原生時(shí)代，Java技術(shù)體系的許多前提假設(shè)都受到了挑戰(zhàn)，“一次編譯，到處運(yùn)行”、“面向長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模程序而設(shè)計(jì)”、“從開放的代碼空間中動(dòng)態(tài)加載”、“一切皆為對(duì)象”、“統(tǒng)一線程模型”，等等。技術(shù)發(fā)展迭代不會(huì)停歇，沒有必要堅(jiān)持什么“永恒的真理”，舊的原則被打破，只要合理，便是創(chuàng)新。

Java語(yǔ)言意識(shí)到了挑戰(zhàn)，也意識(shí)到了要面向未來而變革。文中提到的這些項(xiàng)目，Amber和Portola已經(jīng)明確會(huì)在2021年3月的Java 16中發(fā)布，至少也會(huì)達(dá)到Feature Preview的程度：

JEP 394：Pattern Matching for instanceof

JEP 395：Records

JEP 397：Sealed Classes

JEP 386：Alpine Linux Port

至于更受關(guān)注，同時(shí)也是難度更高的 Valhalla 和 Loom 項(xiàng)目，目前仍然沒有明確的版本計(jì)劃信息，盡管它們已經(jīng)開發(fā)了數(shù)年時(shí)間，非常希望能夠趕在 Java 17 這個(gè) LTS 版本中面世，但前路還是困難重重。

至于難度最高、創(chuàng)建時(shí)間最晚的 Leyden 項(xiàng)目，目前還完全處于特性討論階段，連個(gè)胚胎都算不上。對(duì)于 Java 的原生編譯，我們中短期內(nèi)只可能寄希望于 Oracle 的 GraalVM。

未來一段時(shí)間，是Java重要的轉(zhuǎn)型窗口期，如果作為下一個(gè)LTS版的Java 17，能夠成功集Amber、Portola、Valhalla、Loom和Panama（用于外部函數(shù)接口訪問，本文沒有提到）的新能力、新特性于一身，GraalVM也能給予足夠強(qiáng)力支持的話，那Java 17 LTS大概率會(huì)是一個(gè)里程碑式的版本，帶領(lǐng)著整個(gè)Java生態(tài)從大規(guī)模服務(wù)端應(yīng)用，向新的云原生時(shí)代軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)型?？赡艹蔀楸燃绠?dāng)年從面向嵌入式設(shè)備與瀏覽器Web Applets的Java 1，到確立現(xiàn)代Java語(yǔ)言方向（Java SE/EE/ME和JavaCard）雛形的Java 2轉(zhuǎn)型那樣的里程碑。

但是，如果Java不能加速自己的發(fā)展步伐，那由強(qiáng)大生態(tài)所構(gòu)建的護(hù)城河終究會(huì)消耗殆盡，被Golang、Rust這樣的新生語(yǔ)言，以及C、C++、C#、Python等老對(duì)手蠶食掉很大一部分市場(chǎng)份額，以至被迫從“天下第一”編程語(yǔ)言的寶座中退位。

Java的未來是繼續(xù)向前，再攀高峰，還是由盛轉(zhuǎn)衰，鋒芒挫縮，你我拭目以待。
責(zé)編AJX