并发编程知识精要

📕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

在深入探讨并发编程这一领域之前，首先需要构建一个完整的知识体系，这将帮助我们更好地理解线程基础、线程生命周期、线程同步机制等核心概念。

线程基础

线程是程序执行的最小单元，它由操作系统管理。在Java中，线程的基本属性包括：

• 线程状态：线程状态是线程执行过程中的不同阶段，Java中的线程状态包括新建（NEW）、就绪（RUNNABLE）、运行（RUNNING）、阻塞（BLOCKED）、等待（WAITING）、超时等待（TIMED_WAITING）和终止（TERMINATED）。线程状态的变化遵循特定的规则，例如，一个线程从运行状态转变为阻塞状态，可能是因为它正在等待某个资源或调用了Object.wait()方法。

• 线程优先级：线程优先级用于指示线程在调度器中的优先级，Java中线程优先级分为1-10，数值越大优先级越高。线程的优先级会影响线程调度，但并不保证高优先级线程一定会获得CPU时间。

• 守护线程：守护线程是一种特殊的线程，当所有的非守护线程结束时，程序将退出，而守护线程则继续运行。守护线程通常用于执行后台任务，如垃圾回收。

线程生命周期

线程从创建到销毁会经历以下生命周期：

1. 新建（New）：通过Thread类或其子类创建线程对象，此时线程处于新建状态。
2. 就绪（Runnable）：线程被创建后，将进入就绪状态，等待CPU的调度。
3. 运行（Running）：线程被调度到CPU上执行。
4. 阻塞（Blocked）：线程因某些原因（如等待资源）无法继续执行，进入阻塞状态。
5. 等待（Waiting）：线程调用wait()方法，进入等待状态，直到其他线程调用notify()或notifyAll()。
6. 超时等待（Timed Waiting）：线程调用wait(long timeout)方法，指定超时时间，如果在超时时间内没有其他线程调用notify()或notifyAll()，线程将自动唤醒。
7. 终止（Terminated）：线程执行完毕或被强制终止。

线程池

线程池是管理线程的一种机制，可以减少线程创建和销毁的开销，提高程序性能。线程池的核心参数配置包括：

• 核心线程数：线程池中的核心线程数，即使没有任务，这些线程也不会被销毁。
• 最大线程数：线程池能创建的最大线程数。
• 工作队列：保存等待执行的任务队列。
• 拒绝策略：当任务过多，无法添加到工作队列时的处理策略，例如，丢弃任务或抛出异常。

同步机制

为了保证多线程环境下数据的一致性，需要使用同步机制。常见的同步机制包括：

• 悲观锁/乐观锁：悲观锁认为冲突一定会发生，因此锁定资源；乐观锁则认为冲突很少发生，只在冲突发生时才进行锁定。在Java中，可以使用synchronized关键字或ReentrantLock实现悲观锁，使用乐观锁如CAS操作实现乐观锁。

• 读写锁：允许多个线程同时读取资源，但只允许一个线程写入资源。Java中的ReentrantReadWriteLock是实现读写锁的一种方式。

• 条件变量：线程在满足特定条件时才能继续执行，条件变量可以用于线程间的通信，例如，ReentrantLock提供的Condition接口。

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保证了数据的一致性。这些集合通过使用内部锁或其他同步机制来确保线程安全。

并发工具类

• Phaser：Phaser是一种更高级的同步机制，可以用于复杂的多阶段并发任务。它允许线程在不同的阶段进行同步，并可以动态地调整线程的数量。

• Exchanger：允许两个线程交换数据，这在需要两个线程协同工作以完成某个任务时非常有用。

• FutureTask：可以用来获取异步执行的结果，它是一个可以取消的任务，并且可以设置超时时间。

非阻塞算法

非阻塞算法利用CAS（Compare-And-Swap）原理，通过原子操作来保证数据的一致性。这种算法适用于高并发场景，因为它避免了传统的锁机制，从而减少了线程争用。

Atomic类

Atomic类提供了一系列的原子操作类，如AtomicInteger、AtomicLong等，可以用来实现无锁队列。这些类通过内部实现保证操作的原子性。

并发框架

• Netty：Netty是一个异步事件驱动的网络应用框架，用于构建高性能、高可靠性的网络应用程序。它使用NIO（非阻塞IO）来处理网络事件，并提供了许多高级功能，如线程池管理、编解码器等。

• Akka：Akka是一个基于Actor模型的并发框架，用于构建分布式和并发应用程序。Actor模型是一种基于消息传递的并发模型，它将并发复杂性抽象为发送和接收消息。

• Disruptor：Disruptor是一个高性能的环形缓冲区，用于实现无锁并发。它通过环形缓冲区和序列化的发布-订阅机制来处理并发数据流。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个强大的持久层框架，它对JDBC的操作数据库的过程进行了封装，让开发者只需关注SQL语句本身，而不需要花费精力去处理JDBC底层的很多繁杂细节。

SQL映射

MyBatis通过XML或注解的方式定义SQL映射，将SQL语句与Java对象进行映射。这种映射关系定义了如何将数据库表中的数据转换为Java对象中的属性。

注解映射

MyBatis提供了多种注解来简化SQL映射，如@Select、@Insert、@Update、@Delete等。这些注解可以直接应用于接口方法或XML映射文件中的SQL语句。

结果集映射

MyBatis将查询结果映射到Java对象中，可以通过XML或注解来实现。这种映射关系定义了如何将数据库表中的数据映射到Java对象中的属性。

关联查询

MyBatis支持多种关联查询，如一对一、一对多、多对多等。这些关联查询可以通过XML或注解来实现，并且可以配置加载策略，如懒加载或立即加载。

动态SQL

MyBatis支持动态SQL，可以根据条件动态地构建SQL语句。这可以通过XML中的<if>、<choose>、<when>、<otherwise>标签或注解中的@SelectProvider来实现。

OGNL表达式

OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，MyBatis使用OGNL来处理复杂的表达式。OGNL表达式可以访问对象属性、调用方法、执行逻辑运算等。

分支语句

MyBatis支持分支语句，可以根据条件执行不同的SQL片段。这可以通过XML中的<choose>、<when>、<otherwise>标签来实现。

批量操作

MyBatis支持批量操作，可以提高数据库操作的性能。批量操作可以将多个SQL语句组合在一起执行，从而减少网络往返次数。

缓存机制

MyBatis提供了两级缓存机制：

• 一级缓存：本地缓存，用于缓存最近执行过的SQL查询结果。一级缓存是线程本地的，不同线程之间的缓存是独立的。

• 二级缓存：分布式缓存，可以跨多个数据库实例共享缓存。二级缓存是基于映射器的，可以被多个线程共享。

自定义缓存

MyBatis允许用户自定义缓存，实现更复杂的缓存策略。自定义缓存可以通过实现Cache接口来实现。

代理模式

MyBatis使用代理模式来实现Mapper接口的动态代理。动态代理允许在运行时创建接口的实例，并拦截接口方法的调用。

MapperProxy

MapperProxy是MyBatis的动态代理实现，它负责调用相应的SQL映射。MapperProxy通过反射机制来调用Mapper接口的方法，并执行相应的SQL语句。

插件拦截

MyBatis插件机制允许拦截执行过程中的某些操作，如执行SQL语句前、执行SQL语句后等。插件可以通过实现Interceptor接口来实现。

动态代理执行流程

MyBatis使用动态代理技术来实现Mapper接口的代理，执行流程如下：

1. 创建Mapper接口的动态代理对象。
2. 调用代理对象的方法。
3. MyBatis根据方法名称和参数类型查找相应的SQL映射。
4. 执行SQL语句并返回结果。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心接口，负责执行数据库操作。其生命周期包括：

1. 创建SqlSession对象。
2. 使用SqlSession执行数据库操作。
3. 关闭SqlSession对象。

执行器类型

MyBatis提供了多种执行器类型，如简单执行器、批量执行器、缓存执行器等。不同的执行器类型适用于不同的场景，例如，简单执行器适用于单条SQL语句的执行，而批量执行器适用于批量操作。

延迟加载

MyBatis支持延迟加载，可以减少数据库的访问次数。延迟加载是指在需要时才加载关联数据，而不是在查询时立即加载。

扩展机制

MyBatis提供了扩展机制，允许用户自定义类型处理器、拦截器链、方言支持等。这些扩展机制可以增强MyBatis的功能，使其更适用于特定的应用场景。

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