并发编程核心解析

📕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 并发编程的核心在于线程的创建、调度、同步和通信。在Java中,线程是并发编程的基本单元,其本质是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程的创建可以通过继承Thread类或实现Runnable接口来完成。线程的生命周期包括新建、就绪、阻塞、等待、超时等待和终止等状态,每个状态都对应着线程在执行过程中的不同行为。

线程生命周期 线程从创建到终止会经历多个状态转换。在新建状态,线程仅包含基本属性;进入就绪状态后,线程等待CPU的调度;当线程执行某些操作需要等待其他线程释放资源时,会进入阻塞状态;等待状态是指线程在特定条件下暂停执行;超时等待是等待状态的一种,线程在等待时会指定一个超时时间;终止状态意味着线程执行完毕。

线程优先级 线程优先级是线程在CPU调度时的优先级,Java中线程优先级分为10个等级,默认优先级为5。优先级高的线程在CPU调度时具有更高的优先权,但并不保证一定能获得CPU时间。

守护线程 守护线程是Java中的一种特殊线程,它不干扰应用程序的运行,当所有非守护线程结束时,守护线程也会自动结束。在Java中,可以通过调用Thread的setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。

线程池 线程池是一种管理线程的资源池,它可以提高程序的并发性能。线程池的核心参数配置包括核心线程数、最大线程数、存活时间、队列类型和拒绝策略。线程池内部使用工作队列来存储等待执行的任务,常见的工作队列类型有LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue和SynchronousQueue。

拒绝策略 线程池在达到最大线程数时,会采用拒绝策略来处理新的任务。常见的拒绝策略有CallerRunsPolicy、AbortPolicy、DiscardPolicy和DiscardOldestPolicy。

工作队列类型 线程池的工作队列用于存储等待执行的任务,常见的工作队列类型有:

  • LinkedBlockingQueue:基于链表的阻塞队列,适用于生产者消费者模型。
  • ArrayBlockingQueue:基于数组的阻塞队列,适用于固定大小的线程池。
  • SynchronousQueue:不存储元素的阻塞队列,适用于任务数量较少的场景。

同步机制 同步机制是并发编程中用来防止多个线程同时访问共享资源导致数据不一致的方法。Java提供了synchronized关键字和Lock接口来实现同步。synchronized关键字可以保证同一时间只有一个线程访问某个方法或代码块;Lock接口提供了更丰富的锁操作,如尝试锁定、可中断锁定等。

悲观锁/乐观锁 悲观锁和乐观锁是两种处理并发冲突的策略。悲观锁认为在操作共享资源时,其他线程一定会对共享资源进行修改,因此在进行操作前先加锁,确保操作的原子性;乐观锁认为在操作过程中,共享资源不会被其他线程修改,因此使用版本号或时间戳来检测数据是否被修改。

读写锁 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。读写锁可以提高多线程访问共享资源的并发性能。在Java中,可以使用ReentrantReadWriteLock来实现读写锁。

条件变量 条件变量是线程间进行同步的一种机制,它可以使得线程在某些条件下等待,直到条件成立时被唤醒。在Java中,可以使用Object的wait()、notify()和notifyAll()方法来实现条件变量。

并发集合 Java提供了多种并发集合,如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等,它们在多线程环境下提供了高效的并发操作。并发集合内部采用了多种并发控制机制,如分段锁、CAS操作等。

BlockingQueue BlockingQueue是一种线程安全的队列,它支持阻塞操作。在队列满时,生产者线程会等待;在队列空时,消费者线程会等待。在Java中,可以使用ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue和PriorityBlockingQueue等BlockingQueue实现。

并发工具类 Java提供了多种并发工具类,如Phaser、Exchanger、FutureTask等,它们在处理并发任务时提供了方便的方法。例如,Phaser可以实现多个线程的协作,Exchanger可以实现两个线程之间的数据交换,FutureTask可以实现异步计算。

非阻塞算法 非阻塞算法是指在不使用锁的情况下,通过原子操作、比较交换(CAS)等手段来实现线程间的同步。在Java中,可以使用Atomic类、LockSupport等工具来实现非阻塞算法。

CAS原理 比较交换(Compare-And-Swap,简称CAS)是一种原子操作,用于在多线程环境下实现无锁编程。CAS操作包括三个操作数:内存位置V、预期值A和新值B。如果内存位置的值等于预期值A,则将内存位置的值修改为B,否则不执行任何操作。

Atomic类 Atomic类提供了原子操作的支持,如AtomicInteger、AtomicLong等。它们在多线程环境下保证了操作的原子性。Atomic类内部使用了CAS操作来实现原子性,并通过volatile关键字保证变量的可见性。

无锁队列 无锁队列是一种基于CAS原理实现的并发队列。它通过原子操作来保证队列的线程安全,从而避免了锁的开销。在Java中,可以使用ConcurrentLinkedQueue等无锁队列实现。

并发框架 Netty、Akka和Disruptor是三种流行的并发框架,它们分别采用了不同的线程模型和并发策略。

Netty线程模型 Netty是一种高性能的NIO框架,它采用主从多线程模型。主线程负责接收客户端连接,从线程负责处理业务逻辑。这种模型可以充分利用多核CPU的性能。

Akka Actor模型 Akka是一个基于Actor模型的并发框架。它通过Actor来实现线程间的通信和消息传递。Actor是一个对象,具有独立的消息传递机制,可以并发执行。

Disruptor环形缓冲区 Disruptor是一种基于环形缓冲区的并发框架。它通过环形缓冲区来实现高效的并发数据传输。Disruptor内部使用了环形缓冲区、CAS操作和序列号等技术,从而实现了高性能的并发处理。

二、MyBatis知识体系

SQL映射 MyBatis是一种基于ORM(对象关系映射)的框架,它将数据库表映射为Java对象。SQL映射是MyBatis的核心概念,通过配置文件或注解来定义数据库表与Java对象的映射关系。

注解映射 MyBatis提供了注解来简化SQL映射的配置,如@Select、@Insert、@Update、@Delete等。这些注解可以应用于接口方法或XML映射文件中的SQL语句。

结果集映射 结果集映射用于将数据库查询结果映射为Java对象。MyBatis提供了类型处理器来实现这一过程。类型处理器可以将数据库中的数据类型转换为Java对象类型,如将数据库中的int类型转换为Java中的Integer类型。

关联查询 关联查询用于处理多表之间的关系。MyBatis支持一对一、一对多、多对多等关联查询。在配置关联查询时,需要指定关联关系、关联表和映射字段。

动态SQL 动态SQL允许在执行SQL语句时动态地添加或删除SQL片段。MyBatis提供了 、 、 、 等标签来实现动态SQL。这些标签可以根据条件动态地添加或删除SQL片段。

OGNL表达式 OGNL(Object-Graph Navigation Language)是一种表达式语言,用于访问Java对象的属性和调用方法。MyBatis支持在动态SQL中使用OGNL表达式。

分支语句 分支语句允许在动态SQL中根据条件执行不同的SQL片段。在MyBatis中,可以使用 、 、 、 等标签来实现分支语句。

批量操作 MyBatis支持批量插入、批量更新和批量删除等批量操作。批量操作可以提高数据库操作的效率,减少网络传输开销。

缓存机制 MyBatis提供了缓存机制,包括一级缓存和二级缓存。一级缓存是SqlSession级别的缓存,二级缓存是Mapper级别的缓存。

自定义缓存 MyBatis允许自定义缓存实现,通过实现Cache接口来创建自己的缓存策略。自定义缓存可以实现更复杂的缓存策略,如缓存过期、缓存淘汰等。

代理模式 MyBatis使用代理模式来简化数据库操作,通过动态代理技术生成代理对象,实现对数据库的访问。在MyBatis中,Mapper接口通过代理模式实现了数据库访问。

MapperProxy MapperProxy是MyBatis的动态代理实现,它通过代理Mapper接口来实现数据库操作。MapperProxy内部维护了一个Mapper接口的代理对象,通过调用代理对象的方法来实现数据库操作。

插件拦截 MyBatis允许通过插件拦截数据库操作的过程,如执行器拦截、查询拦截等。插件拦截可以用于日志记录、性能监控等。

动态代理执行流程 MyBatis的动态代理执行流程如下:

  1. 创建代理对象:通过Cglib或JDK动态代理技术生成Mapper接口的代理对象。
  2. 调用代理对象的方法:通过代理对象调用Mapper接口的方法。
  3. 调用Mapper接口的方法:代理对象调用Mapper接口的方法,执行数据库操作。
  4. 执行数据库操作:根据SQL映射文件或注解,执行相应的SQL语句。

SqlSession生命周期 SqlSession是MyBatis的核心对象,它负责管理数据库连接、事务和结果集。SqlSession的生命周期包括创建、使用和关闭。在创建SqlSession时,MyBatis会建立数据库连接;在使用SqlSession时,可以执行SQL语句、提交事务或回滚事务;在关闭SqlSession时,MyBatis会关闭数据库连接。

执行器类型 MyBatis提供了多种执行器类型,如SimpleExecutor、ReuseExecutor和BatchExecutor,它们分别适用于不同的场景。

延迟加载 延迟加载是一种懒加载技术,它将数据的加载延迟到实际需要时。MyBatis支持延迟加载关联对象。在延迟加载过程中,MyBatis会使用代理对象来代替实际的关联对象,当需要访问关联对象时,才会加载实际的关联对象。

扩展机制 MyBatis提供了扩展机制,如类型处理器、拦截器链和方言支持,这些机制允许用户自定义和扩展MyBatis的功能。

类型处理器 类型处理器用于将数据库中的数据类型转换为Java对象类型,MyBatis提供了多种类型处理器来实现这一过程。类型处理器可以自定义转换规则,实现更复杂的类型转换。

拦截器链 拦截器链允许用户在数据库操作过程中插入自定义逻辑,如日志记录、性能监控等。在MyBatis中,拦截器需要实现Interceptor接口。

方言支持 MyBatis支持多种数据库方言,如MySQL、Oracle、SQL Server等,用户可以根据需要选择合适的方言。方言支持可以简化SQL语句的编写,提高开发效率。

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