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。

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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AtomicInteger、AtomicLong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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