并发编程核心技术-优快云博客

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📘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

在计算机科学中，并发编程是一种编程范式，它允许系统同时处理多个任务，从而提高程序的执行效率和响应速度。以下是对并发编程中关键知识点的详细描述，旨在以专业且通俗易懂的方式串联多个知识点。

线程基础

线程是并发编程中最基本的概念，它是程序执行的最小单位，由操作系统管理。以下是线程基础知识的详细介绍：

线程生命周期：线程从创建、就绪、运行、阻塞、等待到终止的整个过程。
- 创建：在Java中，可以使用Thread类或Runnable接口创建线程。Thread类提供了丰富的线程控制方法，而Runnable接口则更加灵活，可以与线程池等并发工具更好地结合。
- 就绪：线程已被创建，但等待CPU时间片。线程就绪状态下的线程等待操作系统分配CPU时间片。
- 运行：线程获得CPU时间片，开始执行。在多核处理器上，线程可以在不同的核心上并行运行。
- 阻塞：线程因等待某些资源（如锁）而暂停。线程在执行过程中可能会遇到各种情况，如I/O操作、等待锁等，导致线程进入阻塞状态。
- 等待：线程主动进入等待状态，直到被其他线程唤醒。线程在执行过程中可能会调用Object.wait()方法，进入等待状态。
- 终止：线程执行完毕或被其他线程终止。线程执行完毕后，会释放其所占用的资源，并进入终止状态。
线程优先级：线程优先级决定了线程在竞争CPU时的优先级。在Java中，线程优先级分为10个等级，范围从1（最低）到10（最高）。线程优先级只是操作系统调度线程的一个建议，具体调度策略取决于操作系统的实现。
守护线程：守护线程是一种特殊的线程，它不属于任何应用程序，而是在后台为其他线程提供服务。守护线程的终止将导致整个JVM进程的终止。在Java中，可以使用setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。
线程池：线程池是管理一组同构线程的集合，它可以有效地管理线程的创建、回收和复用。线程池的主要优势包括：
- 降低系统开销：创建和销毁线程需要消耗系统资源，线程池可以复用已有的线程，降低系统开销。
- 提高系统响应速度：线程池可以减少线程创建和销毁的时间，提高系统响应速度。
- 控制并发数量：线程池可以控制并发线程的数量，避免系统资源过度消耗。
- 任务调度：线程池可以方便地进行任务调度，如定时执行、周期性执行等。

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、死锁等。

悲观锁/乐观锁：悲观锁假设并发访问冲突很常见，因此采取“先锁后写”的策略；乐观锁则假设并发冲突很少，采取“先写后验证”的策略。
- 悲观锁的实现方式包括：
  - 互斥锁：互斥锁是一种常用的悲观锁实现方式，它允许多个线程交替访问共享资源。
  - 读写锁：读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以写入。
- 乐观锁的实现方式包括：
  - 版本号：通过在数据记录中添加版本号，实现乐观锁。在更新数据时，检查版本号是否发生变化，如果发生变化，则认为存在并发冲突。
  - 时间戳：通过在数据记录中添加时间戳，实现乐观锁。在更新数据时，检查时间戳是否发生变化，如果发生变化，则认为存在并发冲突。
条件变量：条件变量用于线程间的同步，它允许一个线程等待某个条件成立，而另一个线程可以在条件成立时唤醒等待的线程。在Java中，可以使用Object.wait()和Object.notify()方法实现条件变量。

并发集合

并发集合是为多线程环境设计的集合类，它提供了线程安全的操作。

ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap，它使用分段锁技术，将数据分为多个段，每个段使用独立的锁，从而提高并发性能。
CopyOnWrite容器：当读取操作远多于写入操作时，CopyOnWrite容器提供了高效的并发控制。在CopyOnWrite容器中，每次读取操作都会返回一个新的副本，而写入操作会创建一个新的副本，并将原副本替换为新的副本。
BlockingQueue：BlockingQueue是线程之间用于传递数据的工具，它允许一个线程生产数据，另一个线程消费数据。在Java中，BlockingQueue提供了丰富的操作方法，如put()、take()、offer()、poll()等。

并发工具类

Phaser：Phaser是一种线程同步工具，它可以实现线程间的有序操作。Phaser类似于CyclicBarrier，但Phaser提供了更灵活的同步方式。
Exchanger：Exchanger允许两个线程在某个点交换数据。在Java中，可以使用Exchanger类实现线程间的数据交换。
FutureTask：FutureTask是Future接口的实现，它代表一个异步计算的结果。在Java中，可以使用FutureTask类提交一个异步任务，并获取任务的结果。
非阻塞算法：非阻塞算法通过减少线程间的等待和竞争，提高了程序的性能。在Java中，可以使用java.util.concurrent.atomic包中的类实现非阻塞算法。

CAS原理和Atomic类

CAS原理：CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁算法，它通过原子操作确保操作的原子性。在Java中，可以使用java.util.concurrent.atomic包中的类实现CAS操作。
Atomic类：Java提供了一系列的Atomic类，如AtomicInteger、AtomicLong等，它们提供了线程安全的原子操作。在Java中，可以使用Atomic类实现线程安全的计数器、标志位等。

并发框架

Netty线程模型：Netty使用主从多线程模型，可以高效地处理并发连接。在Netty中，主线程负责接收和处理连接，从线程负责处理业务逻辑。
Akka Actor模型：Akka使用Actor模型，将并发编程简化为消息传递。在Akka中，每个Actor都是一个独立的并发单元，通过发送和接收消息来实现并发控制。
Disruptor环形缓冲区：Disruptor使用环形缓冲区来提高并发性能，特别适用于高并发场景。在Disruptor中，环形缓冲区用于存储数据，而生产者和消费者通过发布和订阅消息来实现并发控制。

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