并发编程核心技术

📕我是廖志伟,一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》(基础篇)、(进阶篇)、(架构篇)清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验,研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper),消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

Java程序员廖志伟

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一、并发编程知识体系

线程基础

在并发编程中,线程是程序执行的最小单元,它提供了并行执行的能力,使得多个任务可以在同一程序中同时执行。以下是线程基础的一些核心概念及其技术实现细节:

线程生命周期

线程从创建到销毁,会经历多个状态转换,这些状态转换体现了线程的动态行为。线程的生命周期状态包括:

  • 新建(New):当使用Thread类或其子类创建一个线程对象后,该线程对象处于新建状态。此时线程还没有分配资源,也没有开始执行。

  • 就绪(Runnable):线程对象被创建后,调用start()方法,线程将进入就绪状态。此时线程已准备好执行,但可能由于CPU调度机制还没有获得CPU时间片,因此还未实际运行。

  • 运行(Running):线程获得CPU时间片,开始执行其任务。在Java中,线程的运行状态由操作系统和线程调度器共同管理。

  • 阻塞(Blocked):线程因为某些原因(如等待资源、执行I/O操作等)无法继续执行,进入阻塞状态。在此状态下,线程不会消耗CPU资源。

  • 等待(Waiting):线程在等待某个事件发生,例如等待另一个线程的通知。在Java中,线程可以通过调用Object.wait()方法进入等待状态。

  • 终止(Terminated):线程执行完毕或被强制终止,进入终止状态。终止后的线程无法再被启动。

线程优先级

线程优先级是操作系统用来调度线程的依据之一。Java中线程优先级分为1-10级,数值越大,优先级越高。线程优先级只是建议,实际执行顺序可能由操作系统决定。

守护线程

守护线程是一种特殊的线程,它不会阻塞程序的终止。在Java中,可以使用setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。当所有非守护线程结束时,守护线程也会自动结束。

线程池

线程池是一组预先创建的线程,用于执行多个任务。线程池的主要优势包括:

  • 避免频繁创建和销毁线程的开销:线程池中的线程可以复用,减少了创建和销毁线程的开销。

  • 提高系统吞吐量:线程池可以控制线程的数量,从而提高系统处理任务的效率。

线程池的核心参数配置包括:

  • 核心线程数:线程池维护的基本线程数,即使没有任务提交,这些线程也会一直存在。

  • 最大线程数:线程池允许的最大线程数,当任务数量超过核心线程数时,线程池会创建新的线程来处理任务。

  • 队列类型:用于存放等待执行的任务,如直接提交队列、有界队列和无界队列。

  • 拒绝策略:当任务数量超过队列容量时,如何处理新任务,如抛出异常、调用系统线程或丢弃任务。

拒绝策略

拒绝策略包括以下几种:

  • 抛出异常:直接抛出RejectedExecutionException异常,通知调用者任务被拒绝。

  • 调用系统线程:将任务提交给系统线程执行。

  • 舍弃任务:直接丢弃任务,不进行任何处理。

工作队列类型

工作队列类型包括:

  • 直接提交队列:无缓冲,直接将任务提交给线程池。

  • 有界队列:有固定大小的缓冲区,当队列满时,会阻塞任务的提交。

  • 无界队列:缓冲区大小无限,可以存储任意数量的任务。

同步机制

同步机制用于确保多个线程在访问共享资源时不会发生冲突。以下是几种常见的同步机制:

  • 悲观锁:假设在执行过程中,数据可能会被修改,因此在访问数据时,会先加锁。

  • 乐观锁:假设在执行过程中,数据不会被修改,因此只有在数据实际修改时才加锁。

  • 读写锁:允许多个线程同时读取数据,但只有一个线程可以写入数据。

  • 条件变量:用于线程间的同步,线程可以等待某个条件成立。

并发集合

并发集合是一组线程安全的集合类,包括以下几种:

  • ConcurrentHashMap:线程安全的HashMap,提供了高效的并发访问。

  • CopyOnWrite容器:适用于读多写少的场景,每次修改操作都会创建一个新的容器副本。

  • BlockingQueue:线程安全的队列,提供了阻塞式的方法,使得线程可以在队列满时等待,或者在队列为空时阻塞。

并发工具类

并发工具类提供了一系列用于并发编程的工具,包括:

  • Phaser:用于协调多个线程的执行,支持线程的注册、到达和屏障。

  • Exchanger:用于线程间交换数据,两个线程可以同时使用exchange()方法交换数据。

  • FutureTask:用于异步执行任务,提供了get()方法来获取任务的结果。

非阻塞算法

非阻塞算法用于实现无锁操作,以下是一些常见的非阻塞算法:

  • CAS(Compare-And-Swap)原理:用于实现无锁操作,通过比较和交换操作来实现线程间的同步。

  • Atomic类:提供原子操作的类,如AtomicIntegerAtomicLong等,用于实现线程安全的变量操作。

  • 无锁队列:用于线程间的无锁通信,通过CAS操作实现队列的入队和出队操作。

并发框架

并发框架提供了一套完整的并发编程解决方案,以下是一些常见的并发框架:

  • Netty线程模型:基于NIO的异步事件驱动框架,提供了高性能的网络通信解决方案。

  • Akka Actor模型:基于actor模型的并发框架,通过actor之间的消息传递来实现并发编程。

  • Disruptor环形缓冲区:高性能的并发队列,通过环形缓冲区实现高效的并发数据交换。

二、MyBatis知识体系

SQL映射

SQL映射是MyBatis的核心功能,它将Java对象的属性与数据库表中的列进行映射。以下是SQL映射的技术实现细节:

注解映射

MyBatis支持使用注解来映射SQL语句和结果集,以下是一些常用的注解:

  • @Select:用于映射查询SQL语句。

  • @Insert:用于映射插入SQL语句。

  • @Update:用于映射更新SQL语句。

  • @Delete:用于映射删除SQL语句。

  • @Results:用于映射结果集,将查询结果与Java对象属性进行映射。

结果集映射

结果集映射是将数据库查询结果与Java对象属性进行映射。MyBatis提供了多种映射方式,包括:

  • 自动映射:MyBatis可以自动将查询结果映射到Java对象属性。

  • 手动画像:通过手动指定映射关系,将查询结果映射到Java对象属性。

  • 结果映射:通过XML配置文件或注解来指定映射关系。

关联查询

关联查询用于处理一对多、多对多等复杂关系。MyBatis提供了以下关联查询方式:

  • 一对一:通过<one-to-one>标签来配置一对一的关联关系。

  • 一对多:通过<one-to-many>标签来配置一对多的关联关系。

  • 多对多:通过<many-to-many>标签来配置多对多的关联关系。

动态SQL

动态SQL允许根据不同的条件动态生成SQL语句。MyBatis提供了以下动态SQL功能:

  • <if>:根据条件动态包含或排除SQL片段。

  • <choose>:类似于if-else语句,根据条件选择执行不同的SQL片段。

  • <foreach>:遍历集合,动态生成SQL片段。

OGNL表达式

OGNL表达式用于在MyBatis中动态构建表达式,以下是一些常用的OGNL表达式:

  • 访问对象属性:使用.操作符访问对象的属性。

  • 调用方法:使用()操作符调用对象的方法。

  • 执行运算:使用标准的数学运算符进行运算。

分支语句

分支语句用于根据条件执行不同的SQL语句,以下是一些常用的分支语句:

  • <if>:根据条件动态包含或排除SQL片段。

  • <choose>:类似于if-else语句,根据条件选择执行不同的SQL片段。

批量操作

批量操作允许一次性执行多个SQL语句,以下是一些批量操作的特点:

  • 提高性能:减少数据库的访问次数,提高性能。

  • 减少网络开销:减少网络传输的数据量。

缓存机制

MyBatis提供一级缓存和二级缓存机制,以下是一些缓存机制的实现细节:

一级缓存

一级缓存是本地缓存,只对当前SqlSession有效。当SqlSession结束时,一级缓存会自动失效。

二级缓存

二级缓存是全局缓存,对整个应用程序有效。二级缓存可以通过配置文件或注解来启用。

自定义缓存

MyBatis允许自定义缓存实现,通过实现Cache接口来创建自定义缓存。

代理模式

MyBatis使用代理模式来实现SQL执行和结果集处理。当调用Mapper接口的方法时,MyBatis会创建一个代理对象,代理对象负责执行SQL语句。

MapperProxy插件拦截

MapperProxy是MyBatis的插件机制,用于拦截SQL执行过程。以下是一些常用的插件:

  • 日志插件:用于记录SQL执行日志。

  • 性能监控插件:用于监控SQL执行性能。

动态代理执行流程

动态代理执行流程包括以下步骤:

  1. 创建Mapper接口的代理对象。

  2. 在代理对象上执行方法。

  3. 调用MyBatis的拦截器链。

  4. 执行SQL语句。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心接口,它负责执行SQL语句和管理事务。以下是SqlSession生命周期的实现细节:

执行器类型

MyBatis提供多种执行器类型,包括:

  • SimpleExecutor:简单执行器,适用于简单的SQL操作。

  • BatchExecutor:批量执行器,适用于批量操作。

延迟加载

延迟加载是一种优化技术,它将关联对象的加载延迟到真正需要时。MyBatis通过使用<lazy>标签来实现延迟加载。

扩展机制

MyBatis提供多种扩展机制,如拦截器链、插件等。以下是一些扩展机制:

  • 拦截器链:用于拦截SQL执行过程,如日志记录、性能监控等。

  • 插件:用于扩展MyBatis的功能。

类型处理器

类型处理器用于将Java类型转换为数据库类型。MyBatis提供了多种类型处理器,如:

  • IntegerTypeHandler:将Java的Integer类型转换为数据库的整型。

  • StringTypeHandler:将Java的String类型转换为数据库的字符串类型。

拦截器链

拦截器链用于拦截SQL执行过程,如日志记录、性能监控等。以下是一些常用的拦截器:

  • SqlStatementHandler:用于处理SQL语句。

  • ParameterHandler:用于处理SQL参数。

  • ResultSetHandler:用于处理查询结果集。

方言支持

MyBatis支持多种数据库方言,如MySQL、Oracle等。以下是一些方言的特点:

  • MySQL:支持MySQL数据库的特性。

  • Oracle:支持Oracle数据库的特性。

总结:

并发编程和MyBatis是Java开发中常用的技术,掌握这些知识对于提高程序性能和开发效率具有重要意义。通过深入了解线程基础、同步机制、并发集合等并发编程知识,我们可以更好地设计并发程序。同时,掌握MyBatis的SQL映射、缓存机制、扩展机制等知识,可以高效地实现数据持久化操作。在实际开发中,我们可以根据需求灵活运用这些技术,实现高性能、高可扩展性的应用程序。

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