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

并发编程是现代计算机编程中不可或缺的一部分，它涉及到如何使多个任务同时执行，以提高程序的性能和响应速度。以下是对并发编程知识体系的详细阐述，并补充其技术实现细节：

1. 线程基础

线程是并发编程的基本单位，是程序执行的最小单位。线程具有以下特点：

• 线程共享进程的地址空间，但拥有独立的堆栈、程序计数器和程序状态。在Java中，线程的堆栈大小可以通过-Xss命令行参数进行调整，以适应不同线程的需求。
• 线程的创建、销毁、暂停和恢复等操作相对简单，可以高效地实现并发。在Java中，可以使用Thread类创建线程，通过start()方法启动线程，run()方法定义线程的执行逻辑。
• 线程可以并发执行，但同一时间只能有一个线程访问共享资源。这要求在访问共享资源时，必须采取同步机制，如互斥锁（Mutex Lock）或信号量（Semaphore）来保证数据的一致性。

2. 线程生命周期

线程的生命周期包括以下状态：

• 新建状态：线程被创建，但尚未启动。在Java中，通过调用new Thread()创建线程后，线程处于新建状态。
• 可运行状态：线程获得CPU时间，可以开始执行。线程在就绪队列中等待CPU调度。
• 阻塞状态：线程因等待某个条件而无法继续执行。如线程等待I/O操作完成、等待锁等。
• 死亡状态：线程执行完毕或被强制终止。在Java中，线程执行完毕后，会自动进入死亡状态。

3. 线程优先级

线程优先级决定了线程在获得CPU时间时的优先级。Java中，线程优先级分为以下级别：

• 最小优先级：线程优先级最低，通常为1。线程在低优先级队列中等待。
• 普通优先级：线程优先级为默认值，通常为5。线程在正常优先级队列中等待。
• 最大优先级：线程优先级最高，通常为10。线程在最高优先级队列中等待。

4. 守护线程

守护线程是随主线程运行，但不会阻塞主线程执行的线程。当所有非守护线程执行完毕后，程序将退出。在Java中，可以通过将线程的setDaemon(true)方法设置为true来将线程设置为守护线程。

5. 线程池

线程池是管理一组线程的集合，可以提高线程的使用效率。线程池具有以下核心参数配置：

• 核心线程数：线程池在运行时始终拥有的线程数。核心线程数决定了线程池的稳定状态下的线程数量。
• 最大线程数：线程池在需要时可以创建的最大线程数。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：存储等待执行的任务队列。常见的队列类型包括：数组阻塞队列、链表阻塞队列、优先级队列等。
• 拒绝策略：当线程池无法处理任务时，如何拒绝新任务的策略。常见的拒绝策略包括：丢弃任务、丢弃旧任务、抛出异常等。

6. 同步机制

同步机制用于解决线程并发执行时可能出现的数据不一致和竞争条件问题。以下是几种常见的同步机制：

• 悲观锁/乐观锁：悲观锁假设并发访问会破坏数据一致性，因此需要加锁；乐观锁则假设并发访问不会破坏数据一致性，通过版本号或其他机制来保证数据一致性。在Java中，可以使用synchronized关键字或ReentrantLock类实现悲观锁，使用Atomic类实现乐观锁。
• 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。在Java中，可以使用ReentrantReadWriteLock类实现读写锁。
• 条件变量：条件变量允许线程在某些条件成立时继续执行，否则等待。在Java中，可以使用Object类的wait()、notify()和notifyAll()方法实现条件变量。
• 并发集合：如ConcurrentHashMap，提供了线程安全的集合操作。ConcurrentHashMap内部采用分段锁（Segment Lock）机制，将数据分为多个段，每个段有自己的锁，从而提高并发性能。

7. 并发集合

并发集合是专门为并发编程设计的集合，具有以下特点：

• 提供线程安全的操作。如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。
• 支持高并发访问。如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等。
• 具有良好的性能。如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等。

8. 并发工具类

以下是一些常用的并发工具类：

• Phaser：用于协调多个线程的执行顺序。Phaser类似于CyclicBarrier，但功能更强大，可以处理更复杂的场景。
• Exchanger：用于在线程间交换数据。Exchanger允许两个线程在某个时刻交换数据，适用于需要数据交换的场景。
• FutureTask：用于异步执行任务。FutureTask可以获取异步任务的执行结果，适用于需要异步处理任务的场景。

9. 非阻塞算法

非阻塞算法利用CAS（Compare-And-Swap）等原子操作实现线程间的无锁交互。以下是一些常见的非阻塞算法：

• CAS原理：比较并交换，用于实现无锁队列等数据结构。在Java中，可以使用Atomic类实现CAS操作。
• Atomic类：提供原子操作的工具类，如AtomicInteger、AtomicLong等。这些类内部使用CAS操作保证操作的原子性。

10. 并发框架

以下是一些常见的并发框架：

• Netty线程模型：Netty采用主从多线程模型，主线程负责接收和处理网络连接，从线程负责处理业务逻辑。Netty使用Selector机制来管理多个网络连接，从而提高并发性能。
• Akka Actor模型：Akka采用Actor模型，将每个任务封装为一个Actor，Actor之间通过消息传递进行通信。Akka使用Actor系统来管理Actor的生命周期和消息传递，从而实现高并发、高可用、高容错的应用程序。
• Disruptor环形缓冲区：Disruptor使用环形缓冲区来存储并发任务，提高了任务处理的效率。Disruptor内部采用无锁编程技术，通过环形缓冲区和生产者-消费者模式实现高效的并发处理。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一款优秀的持久层框架，它支持定制化SQL、存储过程以及高级映射。以下是对MyBatis知识体系的详细阐述，并补充其技术实现细节：

1. SQL映射

SQL映射是MyBatis的核心功能之一，它将实体类与数据库表进行映射。以下是一些常见的SQL映射：

• 注解映射：使用注解指定实体类属性与数据库表的列之间的映射关系。在MyBatis中，可以使用@Select、@Insert、@Update、@Delete等注解来定义SQL映射。
• 结果集映射：将查询结果映射到实体类或集合中。在MyBatis中，可以使用<resultMap>标签来定义结果集映射。
• 关联查询：处理多表关联查询，将多个表的数据映射到实体类中。在MyBatis中，可以使用<association>、<collection>等标签来定义关联查询。

2. 动态SQL

动态SQL允许在运行时动态地构建SQL语句。以下是一些常见的动态SQL：

• OGNL表达式：用于动态获取实体类属性值。OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，可以用于访问对象属性、调用方法等。
• 分支语句：根据条件执行不同的SQL语句。在MyBatis中，可以使用<if>、<choose>、<when>、<otherwise>等标签来定义分支语句。
• 批量操作：一次执行多个SQL语句。在MyBatis中，可以使用<foreach>标签来定义批量操作。

3. 缓存机制

MyBatis提供了两级缓存机制：

• 一级缓存：会话缓存，用于缓存实体对象和关联查询结果。一级缓存仅在同一个SqlSession中有效。
• 二级缓存：全局缓存，用于缓存实体对象和查询结果。二级缓存可以在多个SqlSession中共享。

4. 自定义缓存

自定义缓存允许开发者自定义缓存实现，以便更好地满足业务需求。在MyBatis中，可以通过实现org.apache.ibatis.cache.Cache接口来创建自定义缓存。

5. 代理模式

MyBatis使用代理模式实现动态代理，为Mapper接口生成代理对象，以便调用其方法执行SQL操作。在MyBatis中，可以使用SqlSession.getMapper()方法获取Mapper接口的代理对象。

6. MapperProxy插件拦截

MapperProxy插件拦截动态代理执行流程，可以对SQL执行进行拦截和增强。在MyBatis中，可以通过实现org.apache.ibatis.plugin.Interceptor接口来创建插件。

7. SqlSession生命周期

SqlSession负责执行SQL语句、管理事务和缓存。其生命周期包括以下阶段：

• 创建：通过SqlSessionFactory创建SqlSession。在MyBatis中，可以使用SqlSessionFactoryBuilder或SqlSessionFactory来创建SqlSessionFactory。
• 使用：执行SQL语句、管理事务和缓存。在MyBatis中，可以使用SqlSession执行查询、插入、更新、删除等操作。
• 关闭：释放资源，关闭SqlSession。在MyBatis中，可以使用SqlSession.close()方法关闭SqlSession。

8. 执行器类型

MyBatis提供了多种执行器类型，如SimpleExecutor、ReusingExecutor和BatchExecutor，以适应不同的业务需求。SimpleExecutor是MyBatis默认的执行器，ReusingExecutor重用预处理语句，BatchExecutor支持批量执行SQL语句。

9. 延迟加载

延迟加载是指在实际需要时才加载数据，以减少初始加载时间。在MyBatis中，可以使用<association>标签的fetchType属性来配置延迟加载。

10. 扩展机制

MyBatis提供了丰富的扩展机制，如类型处理器、拦截器链和方言支持，以方便开发者进行定制化开发。在MyBatis中，可以通过实现相应的接口来扩展框架功能。

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