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

在计算机科学中，并发编程是处理多个任务同时执行的一种技术。下面我们将深入探讨并发编程的知识体系，从线程基础到并发框架，力求以通俗易懂的方式阐述，并补充其技术实现细节。

线程基础

1. 线程定义：线程是程序执行的最小单元，是操作系统能够进行运算调度的基本单位。在技术实现上，线程通常由操作系统内核进行管理，通过线程控制块（Thread Control Block, TCB）来维护线程的状态和属性。

2. 线程生命周期：线程从创建、就绪、运行、阻塞、等待、终止等状态转换。在技术实现上，线程的生命周期管理依赖于操作系统的调度算法，如时间片轮转调度、优先级调度等。

   • 创建：通过new Thread()或继承Thread类的方式创建线程。在技术实现上，创建线程时，操作系统会为线程分配TCB，并初始化线程的状态。

   • 就绪：线程已经被创建，等待CPU时间片。在技术实现上，就绪线程被加入就绪队列，等待调度。

   • 运行：线程获得CPU时间片，开始执行。在技术实现上，操作系统将CPU时间分配给线程，线程开始执行其任务。

   • 阻塞：线程因等待某些资源（如锁）而无法执行。在技术实现上，线程进入等待状态，并释放CPU时间片。

   • 等待：线程主动进入等待状态，直到被其他线程唤醒。在技术实现上，线程调用wait()方法进入等待状态，并释放锁。

   • 终止：线程执行完毕或被终止。在技术实现上，线程执行完毕后，操作系统回收TCB，线程生命周期结束。

3. 线程优先级：线程优先级决定了线程获得CPU时间片的概率。在技术实现上，操作系统根据线程优先级分配CPU时间片，优先级高的线程获得更多的时间片。

4. 守护线程：守护线程为其他线程提供服务，当没有非守护线程在运行时，守护线程也会终止。在技术实现上，守护线程在创建时被指定为守护状态，当主线程结束时，守护线程也会随之结束。

5. 线程池：线程池是一组预先创建的线程，用于执行多个任务。在技术实现上，线程池通过任务队列管理任务，并维护一组工作线程，当任务提交到线程池时，工作线程从任务队列中取出任务执行。

6. 同步机制：

   • 悲观锁/乐观锁：悲观锁假定并发访问会导致数据不一致，乐观锁则假定不会。在技术实现上，悲观锁通常使用锁机制实现，如互斥锁（Mutex Lock）、读写锁（Read-Write Lock）等；乐观锁则使用版本号或时间戳等机制实现。

   • 读写锁：读写锁允许多个线程同时读取数据，但写入时需要独占访问。在技术实现上，读写锁通过读写计数器来控制对数据的访问，读操作增加读计数器，写操作增加写计数器，当写计数器不为零时，读操作将被阻塞。

   • 条件变量：线程在满足某些条件时才会继续执行。在技术实现上，条件变量通常与互斥锁结合使用，线程在等待条件变量时，会释放互斥锁，并在条件满足时重新获取互斥锁。

7. 并发集合：

   • ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap。在技术实现上，ConcurrentHashMap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，从而实现线程安全。

   • CopyOnWrite容器：在修改时复制整个容器，提高读操作的性能。在技术实现上，当容器被修改时，会创建一个新的容器副本，并将修改后的数据写入副本，从而避免对原容器的并发访问。

   • BlockingQueue：线程安全的队列，用于线程间的通信。在技术实现上，BlockingQueue通过锁机制和条件变量实现线程安全，线程在添加或移除元素时，需要获取锁，并在条件满足时释放锁。

8. 并发工具类：

   • Phaser：支持线程之间协作的同步工具。在技术实现上，Phaser通过一个共享的计数器来管理线程的协作，线程在执行过程中，会调用Phaser的arrive()方法来更新计数器。

   • Exchanger：允许两个线程交换数据。在技术实现上，Exchanger通过一个共享的数据结构来存储交换的数据，两个线程在交换数据时，会使用Exchanger的exchange()方法。

   • FutureTask：异步计算的结果。在技术实现上，FutureTask是一个可以异步执行任务的线程，当任务执行完毕后，可以获取任务的结果。

9. 非阻塞算法：

   • CAS原理：比较并交换，用于实现无锁操作。在技术实现上，CAS操作通常使用硬件指令实现，如x86架构的CMPXCHG指令。

   • Atomic类：提供原子操作的类，如AtomicInteger、AtomicLong等。在技术实现上，Atomic类通过内部的自旋锁（Spin Lock）机制实现原子操作。

   • 无锁队列：基于CAS原理实现的线程安全队列。在技术实现上，无锁队列通过CAS操作来保证线程安全，线程在添加或移除元素时，会使用CAS操作来更新队列的状态。

10. 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。在技术实现上，Netty使用单线程模型，通过事件循环来处理网络事件，从而提高网络应用的性能。

    • Akka Actor模型：基于Actor模型的并发框架，用于构建分布式、高并发应用。在技术实现上，Akka使用Actor模型来模拟并发系统的通信和计算，每个Actor独立运行，并通过消息传递进行通信。

    • Disruptor环形缓冲区：用于处理高并发场景下的数据流。在技术实现上，Disruptor使用环形缓冲区来存储数据，并通过无锁算法来处理并发访问，从而提高数据处理的效率。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架，它消除了几乎所有的JDBC代码和手动设置参数以及获取结果集的工作。下面我们将对MyBatis的知识体系进行详细阐述，并补充其技术实现细节。

SQL映射

1. 注解映射：使用注解定义SQL映射，简化XML配置。在技术实现上，MyBatis通过解析注解来生成相应的SQL语句，从而减少XML配置的复杂度。

2. 结果集映射：将数据库结果集映射到Java对象。在技术实现上，MyBatis通过反射和类型处理器（Type Handler）来实现结果集的映射。

3. 关联查询：通过@One、@Many注解实现一对多、多对一关联查询。在技术实现上，MyBatis通过动态SQL和嵌套查询来实现关联查询。

4. 动态SQL：使用<if>、<choose>、<foreach>等标签实现动态SQL。在技术实现上，MyBatis通过解析XML配置来生成动态SQL语句。

5. OGNL表达式：用于表达式计算，如@Select("select * from user where name like #{name} and age > #{age}")。在技术实现上，OGNL表达式通过解析表达式字符串来计算结果。

6. 分支语句：使用<choose>标签实现条件分支。在技术实现上，MyBatis通过解析XML配置来生成条件分支的SQL语句。

7. 批量操作：通过<foreach>标签实现批量插入、批量更新等操作。在技术实现上，MyBatis通过解析XML配置来生成批量操作的SQL语句。

缓存机制

1. 一级缓存：SqlSession级别的缓存，用于缓存SQL语句及其结果集。在技术实现上，MyBatis使用HashMap来存储缓存数据，通过SqlSession来管理缓存的创建和销毁。

2. 二级缓存：Mapper级别的缓存，用于缓存Mapper查询结果。在技术实现上，MyBatis使用HashMap来存储缓存数据，通过Mapper来管理缓存的创建和销毁。

3. 自定义缓存：通过实现Cache接口自定义缓存策略。在技术实现上，自定义缓存需要实现Cache接口中的方法，如putObject()、getObject()、removeObject()等。

4. 代理模式：使用MapperProxy实现动态代理，实现Mapper接口。在技术实现上，MyBatis使用Java的动态代理技术来生成Mapper接口的代理对象，代理对象负责调用真实的Mapper接口。

执行流程

1. MapperProxy：通过动态代理实现Mapper接口。在技术实现上，MyBatis使用Java的动态代理技术来生成Mapper接口的代理对象，代理对象负责调用真实的Mapper接口。

2. 动态代理执行流程：代理对象调用方法时，动态代理拦截调用，执行SQL语句并返回结果。在技术实现上，动态代理通过反射来调用目标对象的方法，并在方法执行前后进行拦截处理。

3. SqlSession生命周期：SqlSession创建、使用、关闭。在技术实现上，SqlSession由SqlSessionFactory负责创建和管理，其生命周期由SqlSessionFactory管理。

4. 执行器类型：SimpleExecutor、ReusingExecutor、BatchExecutor等。在技术实现上，MyBatis提供了多种执行器类型，以适应不同的场景需求。

5. 延迟加载：在需要时才加载关联数据。在技术实现上，MyBatis通过动态代理和代理模式来实现延迟加载。

6. 扩展机制：通过插件拦截、拦截器链等方式扩展MyBatis功能。在技术实现上，MyBatis通过插件和拦截器来实现功能的扩展。

类型处理器与拦截器

1. 类型处理器：将数据库类型转换为Java类型。在技术实现上，MyBatis通过类型处理器（Type Handler）来实现数据库类型与Java类型的转换。

2. 拦截器：拦截SQL执行过程，实现自定义逻辑。在技术实现上，MyBatis通过拦截器（Interceptor）来实现对SQL执行过程的拦截和处理。

3. 拦截器链：拦截器按顺序执行，形成拦截器链。在技术实现上，MyBatis通过拦截器链（Interceptor Chain）来管理拦截器的执行顺序。

4. 方言支持：支持不同数据库方言，如MySQL、Oracle等。在技术实现上，MyBatis通过方言（Dialect）来支持不同数据库的语法和特性。

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