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

并发编程是计算机科学中的一个重要领域，它涉及如何让多个线程同时执行任务，以提高程序的执行效率。以下是对并发编程知识体系的详细阐述。

线程基础

线程是程序中执行任务的基本单位，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程基础包括：

1. 线程生命周期：线程的生命周期可以分为创建（Created）、就绪（Ready）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）和终止（Terminated）六个状态。在Java中，线程的状态转换是由线程调度器根据线程的优先级和系统资源来决定的。

   • 创建状态：线程被创建，但尚未启动。
   • 就绪状态：线程已准备好执行，等待CPU的调度。
   • 运行状态：线程正在执行。
   • 阻塞状态：线程因为某些原因（如等待锁、等待I/O操作完成等）无法执行。
   • 等待状态：线程在等待某个条件成立时挂起。
   • 终止状态：线程执行完毕或被强制终止。

2. 线程优先级：线程的优先级决定了线程在多线程环境中的执行顺序。在Java中，线程优先级分为从1（最低）到10（最高）共10个等级。线程调度器会优先调度优先级高的线程，但最终执行顺序还取决于线程调度算法。

3. 守护线程：守护线程是服务线程，它不会阻塞程序的主线程。当所有非守护线程执行完毕后，程序将自动退出，即使还有守护线程在执行。

4. 线程池：线程池是一组预先创建的线程，用于执行多个任务。线程池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、最大线程数、线程活跃时间、拒绝策略和工作队列类型。

   • 核心线程数：线程池维护的核心线程数量，即使没有任务执行，这些线程也会一直存在。
   • 最大线程数：线程池维护的最大线程数量，当任务数量超过核心线程数时，会创建新线程执行任务。
   • 线程活跃时间：线程空闲的最长时间，超过这个时间线程将被回收。
   • 拒绝策略：当任务太多无法处理时，如何拒绝新任务。常见的拒绝策略包括AbortPolicy（抛出异常）、CallerRunsPolicy（调用者运行）、DiscardPolicy（丢弃任务）和DiscardOldestPolicy（丢弃最老的任务）。
   • 工作队列类型：任务队列的类型，如LinkedBlockingQueue（链表阻塞队列）、ArrayBlockingQueue（数组阻塞队列）等。

核心参数配置、拒绝策略、工作队列类型

线程池的核心参数配置包括：

1. 核心线程数：线程池维护的核心线程数量。核心线程数决定了线程池在空闲时的线程数量，以及执行任务时的最小线程数量。

2. 最大线程数：线程池维护的最大线程数量。最大线程数决定了线程池在执行任务时的最大线程数量，以应对突发的高并发情况。

3. 线程活跃时间：线程空闲的最长时间，超过这个时间线程将被回收。线程活跃时间有助于减少线程资源浪费，提高系统性能。

4. 拒绝策略：当任务太多无法处理时，如何拒绝新任务。拒绝策略的选择应根据实际业务需求来确定。

5. 工作队列类型：任务队列的类型，如LinkedBlockingQueue（链表阻塞队列）、ArrayBlockingQueue（数组阻塞队列）等。不同的工作队列类型具有不同的性能特点，应根据实际需求选择合适的工作队列。

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，包括：

1. 悲观锁：假设在多线程环境中，所有线程都会对数据进行修改，因此在读取数据时，首先对数据进行加锁。悲观锁包括synchronized关键字和ReentrantLock等。

   • synchronized关键字：在Java中，synchronized关键字可以用于同步代码块或方法，确保在同一时刻只有一个线程可以执行。
   • ReentrantLock：ReentrantLock是Java 5引入的一个可重入的互斥锁，它提供了比synchronized关键字更丰富的功能。

2. 乐观锁：假设在多线程环境中，大部分线程都会读取数据，只有少数线程会修改数据，因此在读取数据时，不需要加锁。乐观锁通常使用版本号或时间戳来实现。

   • 版本号：在数据表中增加一个版本号字段，每次更新数据时，将版本号加1。在更新数据时，先检查版本号是否一致，如果不一致，则放弃更新。
   • 时间戳：在数据表中增加一个时间戳字段，每次更新数据时，将时间戳设置为当前时间。在更新数据时，先检查时间戳是否一致，如果不一致，则放弃更新。

3. 读写锁：允许多个线程同时读取数据，但只有一个线程可以写入数据。读写锁可以提高并发性能，特别是在读多写少的场景下。

   • ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock是Java 6引入的一个读写锁，它允许多个线程同时读取数据，但写入数据时需要独占锁。

4. 条件变量：线程在等待某些条件成立时，可以挂起自己的执行，直到条件成立。条件变量通常与锁结合使用。

   • Object.wait()：线程调用Object.wait()方法时，会释放当前持有的锁，并进入等待状态，直到其他线程调用Object.notify()或Object.notifyAll()方法。
   • Object.notify()：线程调用Object.notify()方法时，唤醒一个在特定对象上等待的线程。
   • Object.notifyAll()：线程调用Object.notifyAll()方法时，唤醒在特定对象上等待的所有线程。

并发集合

并发集合是专为并发环境设计的集合，包括：

1. ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap实现，它通过分段锁（Segment Locking）来提高并发性能。

   • 分段锁：ConcurrentHashMap将数据分成多个段，每个段都有自己的锁。当线程访问不同段的数据时，可以同时访问，从而提高并发性能。

2. CopyOnWrite容器：CopyOnWrite容器在写操作时，先对容器进行复制，然后进行修改，最后将复制后的容器赋值给原容器。CopyOnWrite容器适用于读多写少的场景。

3. BlockingQueue：BlockingQueue是线程安全的队列实现，它支持阻塞式操作，即当队列满时，生产者线程会等待，当队列空时，消费者线程会等待。

   • 阻塞式操作：BlockingQueue提供put()、take()、offer()、poll()等方法，分别对应插入、取出、插入（带超时）和取出（带超时）操作。当操作无法立即完成时，线程会等待，直到操作成功或超时。

并发工具类

并发工具类提供了一些方便的并发操作，包括：

1. Phaser：Phaser用于控制多个线程的执行顺序，它类似于CyclicBarrier，但Phaser允许线程在执行过程中动态地加入或退出。

2. Exchanger：Exchanger用于在线程之间交换数据，它允许两个线程在某个时刻交换数据，然后继续执行。

3. FutureTask：FutureTask表示异步计算的结果，它提供了get()方法用于获取计算结果。

非阻塞算法

非阻塞算法是一种避免使用锁的并发算法，包括：

1. CAS原理：Compare-And-Swap（比较并交换）是一种无锁编程技术，它通过原子操作来更新数据。

2. Atomic类：Atomic类提供了一系列原子操作，如AtomicInteger、AtomicLong等。

3. 无锁队列：无锁队列是一种不使用锁的线程安全队列实现，它通过CAS操作来保证线程安全。

并发框架

并发框架提供了一些高级的并发编程工具，包括：

1. Netty线程模型：Netty中的主从多线程模型，用于处理网络请求。主线程负责接收和发送数据，从线程负责处理业务逻辑。

2. Akka Actor模型：Akka基于Actor模型，它将并发编程抽象为消息传递，从而简化了并发编程。

3. Disruptor环形缓冲区：Disruptor是一种高性能的并发队列实现，它使用环形缓冲区和CAS操作来保证线程安全。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一款优秀的持久层框架，它支持自定义SQL、存储过程以及高级映射。以下是对MyBatis知识体系的详细阐述。

SQL映射

MyBatis通过XML文件或注解进行SQL映射，包括：

1. 注解映射：使用注解定义SQL映射关系。MyBatis提供了@Select、@Insert、@Update、@Delete等注解，用于定义SQL映射关系。

2. 结果集映射：定义SQL查询结果与Java对象的映射关系。MyBatis提供了resultMap标签，用于定义结果集映射关系。

3. 关联查询：处理多表关联查询。MyBatis提供了@One、@Many等注解，用于处理一对一、一对多关联查询。

4. 动态SQL：根据条件动态构建SQL语句。MyBatis提供了 、 、 、 等标签，用于动态构建SQL语句。

OGNL表达式、分支语句、批量操作

MyBatis支持OGNL表达式，用于动态构建SQL语句，包括：

1. OGNL表达式：OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，用于获取Java对象的属性值。

2. 分支语句：根据条件执行不同的SQL语句。MyBatis提供了 、 、 、 等标签，用于动态构建分支语句。

3. 批量操作：同时执行多条SQL语句。MyBatis提供了 标签，用于批量操作。

缓存机制

MyBatis提供了一级缓存和二级缓存，以及自定义缓存：

1. 一级缓存：SqlSession级别的缓存，用于缓存SqlSession中的数据。一级缓存是MyBatis默认的缓存机制。

2. 二级缓存：Mapper级别的缓存，用于缓存Mapper中的数据。二级缓存可以跨SqlSession共享。

3. 自定义缓存：自定义缓存实现。MyBatis支持自定义缓存，用户可以自定义缓存实现类，并将其注册到MyBatis中。

代理模式、MapperProxy插件、动态代理

MyBatis使用了代理模式、MapperProxy插件和动态代理来实现其功能：

1. 代理模式：MyBatis使用代理模式生成代理对象，用于执行SQL语句。代理对象封装了数据库操作，提高了代码可读性和可维护性。

2. MapperProxy插件：MapperProxy插件用于拦截Mapper接口的调用，实现自定义逻辑。

3. 动态代理：MyBatis使用动态代理技术生成代理对象，动态代理可以生成任意类型的代理对象，从而实现灵活的扩展。

执行流程、SqlSession生命周期、执行器类型

MyBatis的执行流程包括：

1. 执行流程：从执行器到SqlSession再到数据库的执行流程。MyBatis通过执行器执行SQL语句，并将结果映射到Java对象。

2. SqlSession生命周期：SqlSession的创建、使用和销毁。SqlSession是MyBatis的核心对象，它封装了数据库连接和事务管理。

3. 执行器类型：MyBatis提供多种执行器类型，如SimpleExecutor、ReuseExecutor等。不同的执行器类型具有不同的性能特点，应根据实际需求选择合适的执行器类型。

延迟加载、扩展机制

MyBatis支持延迟加载和扩展机制：

1. 延迟加载：在需要时才加载关联数据。MyBatis支持延迟加载，可以在查询结果集中指定延迟加载的关联数据。

2. 扩展机制：自定义插件、拦截器等。MyBatis提供了插件和拦截器机制，用户可以自定义插件和拦截器，实现自定义逻辑。

类型处理器、拦截器链、方言支持

MyBatis提供了一些高级功能，包括：

1. 类型处理器：处理Java类型与数据库类型之间的转换。MyBatis提供了类型处理器，用于处理Java类型与数据库类型之间的转换。

2. 拦截器链：拦截SQL执行过程，实现自定义逻辑。MyBatis提供了拦截器链，用户可以自定义拦截器，实现自定义逻辑。

3. 方言支持：支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle等。MyBatis支持多种数据库方言，用户可以根据实际需求选择合适的数据库方言。

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