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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

一、并发编程知识体系

并发编程是计算机科学中一个重要的领域，它涉及多个线程的协同工作以实现高效的程序执行。以下是对并发编程知识体系的详细解析，并补充了技术实现细节。

线程基础

线程是程序执行的最小单位，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程具有以下特点：

• 独立性：线程可以独立运行和独立调度。在操作系统中，线程调度器负责将CPU时间分配给各个线程，而线程本身则负责执行代码。
• 共享性：线程共享进程的内存空间，如数据段、堆栈等。这意味着多个线程可以访问同一内存区域，但需要通过同步机制来避免数据竞争。
• 异步性：线程之间可以并发执行，但执行顺序不确定。这要求程序设计者合理地管理线程间的交互，以避免出现竞态条件。

线程生命周期

线程从创建到销毁，经历了以下几个阶段：

1. 新建状态：通过Thread类的构造函数创建后，尚未启动的线程处于新建状态。此时线程的run()方法尚未执行。
2. 就绪状态：线程创建后，调用start()方法，进入就绪状态，等待被调度执行。线程就绪后，操作系统将其放入就绪队列，等待CPU时间片。
3. 运行状态：线程被调度执行，执行线程中的代码。线程在运行状态时，可以访问共享资源，执行计算任务。
4. 阻塞状态：线程执行过程中，由于某些原因（如等待资源）无法继续执行，进入阻塞状态。线程可能因为I/O操作、等待锁等原因阻塞。
5. 终止状态：线程执行完毕或被异常终止，进入终止状态。此时线程不再占用CPU资源，可以被回收。

线程优先级

线程优先级表示线程执行的优先程度，Java中线程优先级分为1-10级，优先级高的线程更有可能被调度执行。线程优先级由线程的priority属性控制，但具体调度策略由操作系统决定。

守护线程

守护线程是服务线程，为其他线程提供服务。当所有非守护线程结束时，守护线程也会随之结束。在Java中，可以通过调用setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。

线程池

线程池是管理一组线程的集合，用于提高程序性能。线程池的主要作用是：

• 降低系统开销：避免频繁创建和销毁线程。线程池中的线程可以重复利用，减少了线程创建和销毁的开销。
• 提高响应速度：减少线程创建和销毁的时间。线程池中的线程已经创建好，可以直接使用，提高了程序的响应速度。
• 限制并发数：控制系统中并发线程的数量。线程池可以限制最大线程数，避免系统资源耗尽。

线程池的核心参数配置包括：

• 核心线程数：线程池中保持活跃的线程数。核心线程数在创建线程池时指定，线程池会根据需要创建一定数量的核心线程。
• 最大线程数：线程池中允许的最大线程数。当任务数量超过核心线程数时，线程池会创建额外的线程来处理任务。
• 队列类型：工作队列类型，如LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等。工作队列用于存储等待执行的任务。
• 拒绝策略：当任务无法被线程池处理时，采取的拒绝策略，如AbortPolicy、CallerRunsPolicy等。

同步机制

同步机制用于解决多线程并发访问共享资源时可能出现的问题，如数据不一致、竞态条件等。

• 悲观锁：假设线程在访问共享资源时会发生冲突，因此在访问前先加锁，直到访问完成才释放锁。Java中可以使用synchronized关键字或ReentrantLock类实现悲观锁。
• 乐观锁：假设线程在访问共享资源时不会发生冲突，因此在访问时不加锁，而是在更新数据时检查是否有其他线程已经修改了数据。Java中可以使用java.util.concurrent.atomic包中的原子类实现乐观锁。
• 读写锁：允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。Java中可以使用java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock类实现读写锁。
• 条件变量：线程在等待某个条件成立时，可以挂起自己，当条件成立时，被唤醒。Java中可以使用java.util.concurrent.locks.Condition接口实现条件变量。

并发集合

并发集合是线程安全的集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。这些集合类内部实现了线程安全的机制，如分段锁、循环等待队列等。

并发工具类

• Phaser：用于协调多个线程的执行，类似于CountDownLatch和CyclicBarrier。Phaser允许线程在执行过程中动态地注册和注销阶段，从而实现更灵活的线程同步。
• Exchanger：用于在线程间交换数据。线程可以使用Exchanger对象交换数据，而不需要使用额外的锁或其他同步机制。
• FutureTask：用于异步执行任务，并返回执行结果。FutureTask可以与线程池结合使用，实现任务的异步执行。

非阻塞算法

非阻塞算法通过使用原子操作和条件变量，实现线程间的协作，避免使用锁。

• CAS原理：比较并交换，用于实现无锁编程。CAS操作可以原子地更新变量的值，而不需要使用锁。
• Atomic类：提供原子操作的方法，如AtomicInteger、AtomicLong等。这些类内部使用了CAS操作，实现了线程安全的原子操作。
• 无锁队列：如ConcurrentLinkedQueue，通过CAS操作实现线程安全。无锁队列不需要使用锁，可以提高并发性能。

并发框架

• Netty线程模型：基于NIO的异步事件驱动的网络应用框架。Netty使用主从多线程模型，将网络事件处理和业务逻辑处理分离，提高了并发性能。
• Akka Actor模型：基于Actor模型的并发框架，用于构建高并发、高可用、分布式系统。Akka使用Actor模型，将并发编程简化为消息传递，提高了并发性能和可扩展性。
• Disruptor环形缓冲区：高性能的并发队列，用于解决传统队列在高并发下的性能瓶颈。Disruptor使用环形缓冲区和CAS操作，实现了高效的并发队列。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架，它对JDBC的操作数据库的过程进行了封装，使开发者只需要关注SQL本身，而不需要花费精力去处理诸如注册驱动、创建连接、创建Statement、设置参数、结果集检索等JDBC代码。

SQL映射

MyBatis通过XML或注解的方式将SQL语句与Java对象进行映射。

• 注解映射：使用@Select、@Insert、@Update、@Delete等注解定义SQL语句。这些注解可以应用于接口方法或类字段，MyBatis会根据注解自动生成相应的SQL语句。
• 结果集映射：将SQL查询结果映射到Java对象中。MyBatis使用OGNL表达式进行结果集映射，可以将查询结果直接赋值给Java对象的属性。
• 关联查询：通过嵌套查询或联合查询实现多表关联。MyBatis支持多种关联查询方式，如一对一、一对多、多对多等。

动态SQL

MyBatis支持动态SQL，可以根据不同的条件执行不同的SQL语句。

• OGNL表达式：用于动态构建SQL语句。OGNL表达式可以访问Java对象的属性和方法，从而实现动态SQL构建。
• 分支语句：根据条件执行不同的SQL语句。MyBatis支持<if>、<choose>等标签，用于实现条件分支。
• 批量操作：支持批量插入、批量更新、批量删除等操作。MyBatis支持<foreach>标签，用于实现批量操作。

缓存机制

MyBatis提供一级缓存和二级缓存机制，用于提高查询效率。

• 一级缓存：会话缓存，在同一个会话中共享。一级缓存存储了当前会话中查询到的数据，避免了重复查询数据库。
• 二级缓存：全局缓存，在所有会话中共享。二级缓存存储了全局范围内的查询结果，可以跨会话共享数据。
• 自定义缓存：支持自定义缓存实现。开发者可以自定义缓存实现，以满足特定的缓存需求。

代理模式

MyBatis使用代理模式实现动态代理，拦截数据库操作。

• MapperProxy：MyBatis的动态代理实现。MapperProxy会拦截对Mapper接口的调用，并执行相应的SQL语句。
• 插件：MyBatis支持插件机制，可以拦截数据库操作。插件可以修改数据库操作的行为，如添加日志、统计执行时间等。

执行流程

MyBatis的执行流程如下：

1. 解析XML配置文件，构建MappedStatement对象。MappedStatement对象包含了SQL语句、参数类型、结果类型等信息。
2. 根据Mapper接口和XML配置文件，构建SqlSession对象。SqlSession是MyBatis的核心对象，负责执行数据库操作。
3. 执行SQL语句，返回结果集。MyBatis会根据MappedStatement对象执行相应的SQL语句，并将结果集映射到Java对象中。
4. 将结果集映射到Java对象。MyBatis使用OGNL表达式将查询结果映射到Java对象的属性中。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心对象，其生命周期如下：

1. 创建SqlSession对象。可以通过SqlSessionFactory对象创建SqlSession对象。
2. 执行数据库操作。在SqlSession的作用域内，可以执行数据库操作，如查询、更新、删除等。
3. 关闭SqlSession对象。执行完数据库操作后，需要关闭SqlSession对象，释放资源。

执行器类型

MyBatis提供多种执行器类型，如SimpleExecutor、ReuseExecutor、BatchExecutor等，用于优化数据库操作。

• SimpleExecutor：简单执行器，适用于单条SQL语句的执行。
• ReuseExecutor：重用执行器，适用于批量操作。重用执行器会重用已创建的Statement对象，减少了数据库连接的开销。
• BatchExecutor：批量执行器，适用于批量操作。批量执行器会将多个SQL语句合并为一个批量操作，减少了网络传输的开销。

延迟加载

MyBatis支持延迟加载，在需要时才加载关联对象。

• 类型处理器：用于处理Java类型和数据库类型之间的转换。类型处理器可以将数据库数据转换为Java对象，或将Java对象转换为数据库数据。
• 拦截器链：用于拦截数据库操作，如查询、更新、删除等。拦截器链可以修改数据库操作的行为，如添加日志、统计执行时间等。
• 方言支持：支持不同的数据库方言。MyBatis支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle、SQL Server等，可以根据数据库类型选择相应的方言。

通过以上对并发编程和MyBatis知识体系的详细解析，我们可以更好地理解并发编程和MyBatis的核心概念和原理，为在实际项目中应用并发编程和MyBatis提供有力支持。在实际开发中，我们可以根据项目需求选择合适的并发编程模型和MyBatis配置，以提高程序性能和可维护性。

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