Java Virtual Thread

Java 從 Green Thread 時代開始，演進到使用 OS Thread，然後到了 Java 21 版，正式採用 Virtual Thread，以適應微服務時代伺服器的變革。

Green Threads

• JDK 為了跨平台的特性，要讓程式可以在單核心，沒有多個 thread 的 OS 上運作，所以設計了內建的 thread 跟 scheduler

• 在 JDK 1.1 (1997) 時期，Java 使用 green threads（由 JVM 在使用者空間模擬出來的執行緒，不直接用 OS thread）。

• 優點：跨平台，不依賴作業系統執行緒，能讓多執行緒程式在沒有多執行緒支援的 OS 上跑。

• 缺點：

  • JVM 本身要實作 thread scheduler，效能比不上 OS 提供的 thread。

  • 遇到 blocking I/O（例如 read socket），整個 JVM scheduler 都會被卡住，所有 green threads 都會停住。

• 從 JDK 1.3 (2000) 開始，Java 全面切換到 1:1 OS threads 模型

Native Thread

作業系統核心會用 time-sharing 或 優先權排程 來管理 threads。

• 重量級資源單位

  • 每個 OS thread 需要 stack (通常 1MB 預設)、TCB (thread control block)、kernel data structures。

  • 建立/銷毀成本高 (微秒到毫秒級)。

• 數量有限

  • 即使硬體支援很多核心，實務上 JVM 或應用程式能開的 OS thread 數量大約只有幾千到幾萬。

• blocking I/O 會卡住 thread

  • 假設某個 OS thread 正在 read() 一個 socket，整個 thread 會被 kernel block。

  • 即使這時 CPU 沒事幹，這個 thread 對 JVM 來說就是「卡住不能用」。

• 搶佔式排程 (preemptive)

  • OS scheduler 會把 CPU 切給不同 threads。

  • context switch 成本高，要切換 CPU 狀態、register、stack。

• 共享記憶體

  • 所有 thread 共用同一個 address space，必須透過鎖 (lock, monitor) 控制同步，容易出現 race condition、deadlock。

• OS thread 模型對「大量 I/O 密集型應用」來說效率很差

  • 適合少量、CPU 密集的任務

  • 不適合製作非常大量的網路連線伺服器

Virtual Thread

• Project Loom 在 Java 19 引入預覽功能、Java 21 變成正式 GA 的一個重要新功能

• 輕量級：建立/銷毀成本非常低，幾 KB stack 就能跑。

• blocking I/O 處理方式不同：

  • Virtual Thread 呼叫阻塞 API (Socket.read())，JVM 會攔截並讓出 OS thread。

  • 這樣 OS thread 可以拿去執行其他 Virtual Thread，不會浪費資源。

• 數量級提升：

  • 可以開數百萬個 virtual threads，對應數百萬個並發請求。

  • 讓程式碼還是同步/直觀，但效能接近非同步 I/O 模型。

• 簡化程式碼：

  • 不需要複雜的 callback、CompletableFuture、reactive pipeline，直接用同步程式碼就能寫出 scalable 程式。

• 把「blocking I/O」變得非阻塞化，同時又保留傳統同步 API 的簡單性，讓 Java 更適合現代微服務/高併發應用。

• 虛擬線程更適合 I/O 型或高併發場景。如果是非常 CPU密集或如果內部有同步鎖 (synchronized) 或重度共享資源競爭，則使用傳統線程。

Erlang Process

• 極度輕量：一個 process 只佔用幾 KB 記憶體，可以同時開數百萬個。由 BEAM VM 調度

• 獨立記憶體空間：每個 process 有自己的 heap/stack，不共享狀態。

• 排程由 BEAM 虛擬機控制：BEAM 用 OS threads（通常一個核心對應一個 scheduler thread）去執行上千萬個 Erlang processes。

• preemptive scheduling：Erlang process 執行一定數量的 reductions（指令數）後會自動讓出 CPU。

• Erlang process 的定位 比較接近 Java 的 Virtual Thread

  • 因為 Erlang 從設計之初就為了 massive concurrency，整個 I/O 模型與錯誤隔離都是以「百萬 process」為目標；

  • Java Virtual Thread 是在既有 thread-based API 上加的輕量執行緒，強調「低成本封裝既有同步程式碼」。

Erlang Process vs Java Threads 比較

特性	Erlang Process	Java OS Thread	Java Virtual Thread
管理單位	BEAM VM (使用 scheduler threads)	OS Kernel	JVM (基於 OS threads)
重量級 / 輕量級	超輕量 (幾 KB)	重量級 (MB)	輕量 (KB 級)
建立數量	百萬級	幾千～幾萬	百萬級
排程	BEAM VM preemptive scheduling	OS scheduler	JVM scheduler
blocking I/O	不會卡住整個 VM，process 掛起，scheduler 跑其他 process	卡住 OS thread	掛起虛擬執行緒，釋放 OS thread
共享記憶體	不共享，透過 message passing	共享，需要鎖	不共享（但可用同步物件）
錯誤隔離	完整隔離，崩潰不會影響其他 process	線程崩潰可能拖垮 JVM	崩潰只影響該 virtual thread
設計哲學	為 massive concurrency 與容錯而生	傳統 multi-threading	保留同步 API，實現高併發
適用場景	聊天室、遊戲伺服器（每個玩家一個 process）、即時推播（pub/sub 模式）	I/O 密集、RPC、WebSocket	CPU 密集、JNI、非阻塞演算法

Shell Script 語法比較表

整理常用 Shell (sh, bash, zsh) 在語法、功能上的差異與相容性，方便參考。

類型	sh (POSIX)	bash	zsh	備註
Shebang	#!/bin/sh	#!/bin/bash	#!/bin/zsh	建議腳本跨平台用 #!/bin/sh
變數宣告	name=value	相同	相同	不能有空格
字串插值	"Hello $name"	相同	相同	都支援
命令替換	`date` 或 $(date)	相同	相同	建議用 $( )
條件判斷	[ "$a" = "$b" ]	[ "$a" = "$b" ] 或 [[ $a == $b ]]	[ "$a" = "$b" ] 或 [[ $a = $b ]]	[[ ... ]] 不是 POSIX 的寫法
邏輯運算	[ "$a" = 1 ] && [ "$b" = 2 ]	[[ $a = 1 && $b = 2 ]]	相同	[[ ... && ... ]] 非 POSIX
數學運算	$((1+2))	((i++)) / $((1+2))	((i++)) / $((1+2))	POSIX sh 只能 $(( ))
陣列	❌ 不支援	arr=(a b c) → ${arr[0]}	arr=(a b c) → ${arr[1]}	Bash 陣列從 0 起算，Zsh 從 1 起算
關聯陣列 key=value	❌	declare -A map; map[key]=val	typeset -A map; map[key]=val	POSIX sh 沒有
brace expansion	❌	{1..5}	{1..5}	POSIX sh 不支援
迴圈 for	for i in 1 2 3; do ...; done	for i in {1..3}; do ...; done	brace expansion 會展開整個序列	{1..3} 不是 POSIX
函數定義	foo() { ... }	foo() { ... } 或 function foo { ... }	相同	function foo {} 不是 POSIX
字串長度	${#var}	相同	相同
字串比較	=	== / =	== / = (glob)	POSIX sh 只能用 =
大小寫轉換	❌	${var^^} / ${var,,}	${(U)var} / ${(L)var}	Bash/Zsh 特殊功能
字串切割	${var%pattern} / ${var#pattern}	支援更多：${var^^} (大寫)	支援更多：:${(U)var}	POSIX 只有 % #
printf / echo	printf 標準，echo 不一定支援 -e	echo -e 可用	echo -e 可能無效，用 print	建議用 printf
測試檔案	[ -f file ]	相同	相同
正則比對	❌	[[ string =~ regex ]]	[[ string =~ regex ]] 但 regex 語法不同	POSIX sh 無 regex 功能
展開 (globbing)	基本 * ? [ ]	需 shopt -s globstar	Zsh 預設更強大 (e.g. **/*.txt)	Zsh glob 功能最強
補全 (tab)	❌	需 bash-completion	內建強大補全	互動環境差異，不影響 script
錯誤處理	set -e	相同，加強版 set -o pipefail	相同	pipefail 不是 POSIX
信號處理	trap 'cmd' INT TERM	相同	相同
source 檔案	. file	source file / . file	source file / . file	POSIX sh 用 .
目錄堆疊	❌	pushd / popd	pushd / popd	POSIX sh 無目錄堆疊功能
互動功能	❌	readline、history、completion	history、completion、prompt customization	Zsh 提供最強互動功能
local / typeset	❌	local / typeset	local / typeset	POSIX sh 不支援函數內局部變數

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• sh
  • POSIX，相容性最好，但功能有限。
  • 如果要製作跨平台的 script，就使用標準的 POSIX 語法
• bash
  • 增強 POSIX，支援陣列、關聯陣列、[[ ]]、brace expansion、Bashisms。
  • 一般在 mac/linux，可使用 bash script
• zsh
  • 幾乎包含 Bash 功能，互動功能更強（prompt、補全、glob、history）
  • 陣列索引從 1 開始，部分語法行為不同。
  • 使用者互動操作時，可使用 zsh

zsh

在 RockyLinux 測試 zsh。目前比較常見的，還是使用 bash，如果要測試 zsh，需要另外安裝。

安裝

dnf -y install zsh

修改預設的 shell

chsh -s /bin/zsh

基本的設定檔

可直接跳到下面的 Oh My Zsh

# 1. 基本環境
export LANG=en_US.UTF-8
export EDITOR=vim
export PATH="/usr/local/bin:$PATH"

# 2. Prompt 設定
PROMPT='[%*]%n@%m %~$ '

# 3. Alias 常用指令
alias ll='ls -lh'
alias la='ls -la'
alias ..='cd ..'
alias gs='git status'

# 4. 歷史設定
HISTSIZE=5000
SAVEHIST=5000
HISTFILE=~/.zsh_history
setopt share_history      # 多個 zsh session 共享歷史

# 5. 自動補全 & 修正
autoload -Uz compinit && compinit
setopt correct            # 拼字錯誤自動建議
setopt autocd             # 輸入資料夾名稱自動 cd
setopt nocaseglob         # 補全時忽略大小寫

# 6. 補全行為微調
zstyle ':completion:*' matcher-list 'm:{a-z}={A-Z}'

功能有

• 乾淨的 prompt → [時間]使用者@主機 當前路徑$

• 常用 alias → ll, la, gs, ..

• 歷史 → 儲存 5000 筆並共享不同視窗

• 自動補全 → tab 補全，支援大小寫不敏感

• 錯字修正 & auto cd → 輸入資料夾名稱會自動進去

Oh My Zsh

Oh My Zsh 是 zsh 常見的 plugin 管理工具，可安裝多個 plugin 擴充 zsh 的功能，但也要注意，載入越多 plugin 會讓 zsh 啟動變慢。

安裝

sh -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/ohmyzsh/ohmyzsh/master/tools/install.sh)"

常見的 theme 工具是 Powerlevel10k，但這邊不使用，直接用基本的 Prompt

修改 ~/.zshrc 增加以下這個部分，然後就能將一些不同用途的設定檔分開

for file in .zshrc_*;
do source $file;
done

增加常用 plugins

安裝

cd $ZSH/custom/plugins
# 安裝 zsh-autosuggestions
git clone https://github.com/zsh-users/zsh-autosuggestions.git

# 安裝 zsh-syntax-highlighting
git clone https://github.com/zsh-users/zsh-syntax-highlighting.git

# zsh-completions
git clone https://github.com/zsh-users/zsh-completions

設定檔

~/.zshrc_basic

# 1. 指定 Oh My Zsh 安裝路徑
export ZSH="$HOME/.oh-my-zsh"

# 3. Plugins
# git           → git alias & 補全
# zsh-autosuggestions → 歷史自動建議
# zsh-syntax-highlighting → 命令語法高亮
# history-substring-search → 部分字串歷史搜索
# extract       → 快速解壓縮
plugins=(
  git
  zsh-autosuggestions
  zsh-syntax-highlighting
  zsh-completions
  history-substring-search
  extract
  colored-man-pages
  z
)

# 4. 啟動 Oh My Zsh
source $ZSH/oh-my-zsh.sh

# 5. PATH & 編輯器
export PATH="/usr/local/bin:$PATH"
export EDITOR=vim
export LANG=en_US.UTF-8

# 6. Alias 常用指令
alias ll='ls -lh'
#alias la='ls -A'
alias la='ls -la'
alias ..='cd ..'
alias gs='git status'
alias gp='git push'
alias gd='git diff'

# 7. 歷史設定
HISTSIZE=5000
SAVEHIST=5000
HISTFILE=~/.zsh_history
setopt share_history      # 多個 zsh session 共享歷史

# 8. 自動補全 & 行為優化
autoload -Uz compinit && compinit
setopt correct            # 拼字錯誤自動建議
setopt autocd             # 輸入資料夾名稱自動 cd
setopt nocaseglob         # 補全大小寫不敏感
zstyle ':completion:*' matcher-list 'm:{a-z}={A-Z}'

另外做一個 ~/.zshrc_prompt

#PROMPT='%F{green}[%D{%H:%M}]%f%F{yellow}%n@%m%f %F{blue}%~%f$ '
#PROMPT='%F{green}[%D{%H:%M}]%f%F{yellow}%n@%m%f %F{blue}%~%f${git_prompt_info} $ '
autoload -Uz vcs_info
precmd() { vcs_info }
zstyle ':vcs_info:git:*' formats '(%b)'

PROMPT='%F{blue}[%D{%H:%M}]%f%F{green}%n@%m%f %F{magenta}%~%f${vcs_info_msg_0_} $ '

增加功能，區分本地跟遠端的 ssh

Zsh / Bash 都可以靠環境變數來判斷：

• 本地登入 -> SSH_CONNECTION / SSH_TTY 不存在

• 遠端登入 (SSH) -> SSH_CONNECTION 或 SSH_TTY 存在

if [[ -n "$SSH_CONNECTION" ]]; then
  HOST_STYLE="%F{red}@%m%f(ssh)"
else
  HOST_STYLE="%F{yellow}@%m%f"
fi

PROMPT='%F{blue}[%D{%H:%M}]%f%F{green}%n%f'"$HOST_STYLE"' %F{magenta}%~%f${vcs_info_msg_0_} $ '

重新登入後，就可以使用 zsh

extract plugin

extract 定義了一個名為 extract 的函數，用於解壓縮你傳遞給它的檔案，並支援多種檔案類型。

使用方式為 extract 檔案名稱

不需要知道具體的解壓縮命令，只需執行 extract 就可以解壓大部分常見檔案，直接輸入 x 檔案名稱 也可以

z plugin

Usage: z [OPTION]... [ARGUMENT]
Jump to a directory that you have visited frequently or recently, or a bit of both, based on the partial
string ARGUMENT.

With no ARGUMENT, list the directory history in ascending rank.

  --add Add a directory to the database
  -c    Only match subdirectories of the current directory
  -e    Echo the best match without going to it
  -h    Display this help and exit
  -l    List all matches without going to them
  -r    Match by rank
  -t    Match by recent access
  -x    Remove a directory from the database (by default, the current directory)
  -xR   Remove a directory and its subdirectories from the database (by default, the current directory)

autojump

z 是用 shell script 實作，autojump 是 python，z 的速度比較快，且內建於 zsh。一般建議就直接使用 z，如果要使用 autojump，需要做另外的設定。

安裝

cd $ZSH/custom/plugins

# 安裝 autojump
git clone https://github.com/wting/autojump.git

注意 autojump 需要另外安裝套件

dnf -y install autojump

因為 autojump 只有提供 bash 版本的初始化 script

/usr/share/autojump/autojump.bash

現在要使用 zsh，故要另外產生一個 zsh 版本的初始化

到 autojump 原始的 github 網頁取得 autojump.zsh

把 autojump.zsh 放到 /usr/share/autojump/autojump.zsh

修改設定檔

plugins=(
  autojump
)

# Autojump 初始化
# 確認 autojump 安裝後再 source
if [ -f /usr/share/autojump/autojump.zsh ]; then
  source /usr/share/autojump/autojump.zsh
fi

# 任意切換目錄
cd ~/download/dir1
cd ~/download/dir2

# 檢查 autojump
j -s

# autojump
j dir1