并发编程核心知识

📕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

1. 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。在Java中，线程的创建和管理是通过Java虚拟机（JVM）提供的API来实现的。线程的生命周期管理包括线程的创建、运行、同步、通信和销毁。

（1）线程生命周期

线程从创建（New）开始，进入就绪（Runnable）状态，等待CPU调度。一旦线程获得CPU资源，它将进入运行（Running）状态。在运行过程中，线程可能会因为等待某些资源而进入阻塞（Blocked）状态，例如等待锁的释放。线程也可以主动进入等待（Waiting）状态，直到某个条件成立或收到特定信号。超时等待（Timed Waiting）是等待状态的一种特殊形式，线程在指定时间内等待某个条件成立。最终，线程执行完毕或者被外部事件终止，进入终止（Terminated）状态。

（2）线程优先级

Java中，线程优先级分为五个等级：最低（MIN_PRIORITY）、较低（LOWER_PRIORITY）、正常（NORM_PRIORITY）、较高（HIGHER_PRIORITY）和最高（MAX_PRIORITY）。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。

（3）守护线程

守护线程是一种特殊类型的线程，它不会阻塞应用程序的执行。当所有非守护线程结束时，守护线程也会自动结束。通常，守护线程用于执行后台任务，如垃圾回收、系统监控等。

（4）线程池

线程池可以避免频繁创建和销毁线程的开销，提高系统的响应速度。线程池的核心参数配置包括：

• 核心线程数：线程池中最小的工作线程数，即使没有任务提交，这些线程也会一直保持活跃。
• 最大线程数：线程池中最大工作线程数，当任务提交速度超过线程池处理能力时，新提交的任务会等待线程池空闲。
• 存活时间：空闲线程的存活时间，超过此时间后，空闲线程将被终止。
• 任务队列：存放等待执行的任务，常见的队列有：LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue。
• 拒绝策略：当任务队列已满，且当前线程数达到最大线程数时，如何处理新任务，常见的拒绝策略有：AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardPolicy、DiscardOldestPolicy。

2. 核心参数配置

（1）核心线程数

核心线程数通常根据系统的CPU核心数来设置，确保系统资源得到有效利用。

（2）最大线程数

最大线程数需要根据系统资源和业务需求来设定，避免系统资源过载。

（3）存活时间

存活时间根据任务的性质和系统的特点来设置，确保系统稳定运行。

（4）任务队列

选择合适的工作队列类型，可以减少线程上下文切换开销，提高线程池性能。

（5）拒绝策略

选择合适的拒绝策略，可以确保系统在资源紧张的情况下，依然能够正常运行。

3. 拒绝策略

（1）AbortPolicy

当任务队列已满，且当前线程数达到最大线程数时，抛出RejectedExecutionException异常，要求调用者处理。

（2）CallerRunsPolicy

当任务队列已满，且当前线程数达到最大线程数时，由提交任务的线程处理新任务，从而减轻线程池的负担。

（3）DiscardPolicy

当任务队列已满，且当前线程数达到最大线程数时，直接丢弃新任务。

（4）DiscardOldestPolicy

当任务队列已满，且当前线程数达到最大线程数时，丢弃队列中最旧的任务，为新任务腾出空间。

4. 工作队列类型

（1）LinkedBlockingQueue

基于链表实现的阻塞队列，适用于生产者消费者模型。

（2）ArrayBlockingQueue

基于数组实现的阻塞队列，具有固定容量，适用于有界队列。

（3）PriorityBlockingQueue

基于优先级队列实现的阻塞队列，元素根据优先级排序。

（4）SynchronousQueue

基于生产者消费者模型实现的阻塞队列，元素仅在需要时才创建，适用于高性能场景。

5. 同步机制

同步机制主要包括：悲观锁、乐观锁、读写锁、条件变量。

（1）悲观锁

悲观锁假设并发访问时会发生冲突，因此锁定资源以避免冲突。Java中的悲观锁实现主要有：synchronized关键字和ReentrantLock。

（2）乐观锁

乐观锁假设并发访问时不会发生冲突，因此不锁定资源，而是在操作数据后进行检查，如果发生冲突则回滚操作。Java中的乐观锁实现主要有：CAS（Compare-And-Swap）原理和Atomic类。

（3）读写锁

读写锁允许多个读线程同时访问资源，但写线程必须独占访问资源。Java中的读写锁实现主要有：ReadWriteLock。

（4）条件变量

条件变量允许线程在某个条件下等待，直到条件成立时继续执行。Java中的条件变量实现主要有：Condition。

6. 并发集合

并发集合是指在多线程环境中，能够安全地进行并发访问的集合类。常见的并发集合有：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet。

（1）ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap，采用分段锁（Segment Lock）实现并发访问。每个Segment包含一个HashEntry数组，每个Segment的锁独立，从而提高并发性能。

（2）CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器在写操作时，会创建一个新的副本，并在副本上进行修改，修改完成后，将原容器指向新副本。适用于读多写少的应用场景。

（3）BlockingQueue

BlockingQueue是线程安全的队列，支持阻塞式操作。适用于生产者消费者模型。

7. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap采用分段锁（Segment Lock）实现并发访问。每个Segment包含一个HashEntry数组，每个Segment的锁独立，从而提高并发性能。当并发访问时，不同的线程可以同时访问不同的Segment，减少锁的竞争。

8. CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器在写操作时，会创建一个新的副本，并在副本上进行修改，修改完成后，将原容器指向新副本。适用于读多写少的应用场景，如ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList。

9. BlockingQueue

BlockingQueue是线程安全的队列，支持阻塞式操作。适用于生产者消费者模型，如LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue。

10. 并发工具类

（1）Phaser

Phaser是Java并发工具包中的一种同步工具，用于实现多线程的有序操作。Phaser内部维护一个计数器，线程在进入阶段时增加计数器，在退出阶段时减少计数器。当计数器为0时，表示所有线程都进入或退出了该阶段。

（2）Exchanger

Exchanger是Java并发工具包中的一种线程间交换数据的工具。两个线程在相遇点交换数据后，继续执行。适用于需要线程间交换数据的场景。

（3）FutureTask

FutureTask是Java并发工具包中的一种异步执行任务的工具。FutureTask内部维护一个Runable任务和Future结果，提交任务的线程可以调用Future的get()方法获取结果。

11. 非阻塞算法

非阻塞算法主要包括：CAS原理、Atomic类、无锁队列。

（1）CAS原理

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁算法，用于实现并发控制。CAS操作包括三个操作数：内存位置V、预期原值A和要修改的新值B。当内存位置的值与预期原值A相等时，将内存位置的值修改为B，否则不进行任何操作。

（2）Atomic类

Atomic类提供了线程安全的原子操作，包括：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。这些类基于volatile关键字和CAS操作实现原子操作。

（3）无锁队列

无锁队列是一种基于CAS原理的线程安全队列。无锁队列的元素插入和删除操作都是基于CAS操作实现的，无需加锁。

12. 并发框架

（1）Netty线程模型

Netty是基于Reactor模式实现的网络框架，采用主从多线程模型。主线程负责接收客户端连接请求，从线程负责处理业务逻辑。

（2）Akka Actor模型

Akka是基于Actor模型实现的并发框架，采用无状态、无共享、事件驱动的方式。Actor之间通过消息传递进行通信，每个Actor独立处理消息。

（3）Disruptor环形缓冲区

Disruptor是基于环形缓冲区实现的并发框架，提供高性能的并发处理。Disruptor通过预分配内存和环形缓冲区的方式，减少内存分配和复制操作，提高并发性能。

二、MyBatis知识体系

1. SQL映射

MyBatis使用XML文件进行SQL映射，将Java对象与数据库表进行映射。XML映射文件中定义了SQL语句、参数类型、结果映射等信息。

2. 注解映射

MyBatis支持使用注解进行SQL映射，提高开发效率。通过在Java接口或Java类中添加注解，MyBatis可以自动生成相应的SQL映射。

3. 结果集映射

MyBatis将数据库查询结果映射到Java对象。通过XML映射文件或注解定义结果集映射规则，MyBatis可以自动将查询结果填充到Java对象中。

4. 关联查询

MyBatis支持关联查询，实现多表之间的数据操作。通过XML映射文件或注解定义关联查询规则，MyBatis可以自动关联多个表的数据。

5. 动态SQL

MyBatis支持动态SQL，根据条件动态生成SQL语句。通过XML映射文件或Ognl表达式，MyBatis可以根据条件动态构建SQL语句。

6. OGNL表达式

OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，用于访问对象属性。OGNL表达式可以访问Java对象属性、集合、方法等，支持方法调用、条件判断等操作。

7. 分支语句

MyBatis支持分支语句，实现条件查询。通过XML映射文件或Ognl表达式，MyBatis可以根据条件选择执行不同的SQL语句。

8. 批量操作

MyBatis支持批量操作，提高数据库操作效率。通过XML映射文件或注解定义批量操作规则，MyBatis可以一次性执行多条SQL语句。

9. 缓存机制

MyBatis支持一级缓存和二级缓存。

（1）一级缓存

一级缓存是SqlSession级别的缓存，用于存储SqlSession执行过的查询结果。当在同一个SqlSession中执行相同的查询语句时，可以直接从缓存中获取数据，提高查询效率。

（2）二级缓存

二级缓存是Mapper级别的缓存，用于存储Mapper执行过的查询结果。当在同一个Mapper中执行相同的查询语句时，可以直接从缓存中获取数据，提高查询效率。

（3）自定义缓存

MyBatis支持自定义缓存，实现更复杂的缓存策略。通过实现Cache接口，自定义缓存管理器，可以将数据存储到Redis、Memcached等缓存系统中。

10. 代理模式

MyBatis使用代理模式实现Mapper接口的动态代理。当调用Mapper接口方法时，MyBatis会动态生成代理对象，代理对象负责执行相应的SQL语句并返回结果。

11. MapperProxy

MapperProxy是MyBatis的动态代理实现，用于生成Mapper接口的代理对象。MapperProxy内部维护一个Mapper接口的实例，调用代理对象的方法时，会执行对应的Mapper接口方法。

12. 插件拦截

MyBatis支持插件拦截，实现自定义功能。通过实现Interceptor接口，自定义拦截器，可以在执行SQL语句前后进行拦截，实现自定义功能。

13. 动态代理执行流程

动态代理执行流程包括：代理对象调用、代理方法调用、目标方法调用、代理对象返回。

14. SqlSession生命周期

SqlSession的生命周期包括：创建、使用、关闭。

（1）创建

通过SqlSessionFactory.openSession()方法创建SqlSession。

（2）使用

在SqlSession中执行SQL语句，完成业务逻辑。

（3）关闭

关闭SqlSession，释放资源。

15. 执行器类型

MyBatis支持多种执行器类型，包括：SimpleExecutor、ReuseExecutor、BatchExecutor。

（1）SimpleExecutor

SimpleExecutor是MyBatis默认的执行器，适用于简单的数据库操作。

（2）ReuseExecutor

ReuseExecutor可以复用预处理语句（PreparedStatement），提高数据库操作效率。

（3）BatchExecutor

BatchExecutor支持批量操作，适用于批量插入、批量更新等场景。

16. 延迟加载

MyBatis支持延迟加载，提高数据访问效率。延迟加载是指在需要访问关联数据时，才进行关联查询，减少查询次数。

17. 扩展机制

MyBatis支持扩展机制，实现自定义功能。通过实现Executor、Cache、Interceptor等接口，自定义扩展功能。

18. 类型处理器

MyBatis支持类型处理器，实现数据类型转换。类型处理器将Java数据类型转换为数据库数据类型，或将数据库数据类型转换为Java数据类型。

19. 拦截器链

MyBatis支持拦截器链，实现自定义功能。拦截器链由多个拦截器组成，拦截器按照添加顺序执行。

20. 方言支持

MyBatis支持方言支持，实现数据库兼容性。方言是针对不同数据库的特定SQL语法和功能的支持。

通过以上知识点的串联，我们可以了解到并发编程和MyBatis在实际开发中的应用，为解决实际开发中的问题提供有力支持。在实际开发过程中，我们需要根据具体需求，灵活运用这些知识，以提高系统的性能和可维护性。

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