并发编程核心解析

我是廖志伟

于 2025-07-19 12:09:07 发布

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分类专栏： Java场景面试宝典文章标签： Concurrency Programming Java

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📕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。

🌾阅读前，快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问，以加深理解和吸收知识。阅读结束后，反思和总结所学内容，并尝试应用到现实中，有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容，讨论细节并获得反馈，也有助于加深对知识的理解和吸收。💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

一、并发编程知识体系

并发编程，作为现代计算机科学中的一个重要领域，它通过多个线程同时执行任务，提高了程序的响应性和效率。以下是对并发编程知识体系的详细解读，包括技术实现细节。

线程基础

线程是并发编程的基本执行单元，它是轻量级的进程，共享进程的资源，但拥有独立的堆栈和程序计数器。

线程生命周期：线程的生命周期包括创建、就绪、运行、阻塞、等待和死亡等状态。
- 创建：线程可以通过Java的Thread类或实现Runnable接口的类来创建。
  - Thread类提供了丰富的API来控制线程的启动、停止、暂停和恢复等。
  - Runnable接口是线程执行的实体，通过实现该接口，可以避免继承Thread类带来的单继承局限。
- 就绪：线程创建后，将进入就绪状态，等待CPU调度。
  - 就绪状态的线程在CPU调度时，将根据线程优先级和调度算法被选中。
- 运行：线程被CPU调度后，进入运行状态，执行线程的run()方法。
  - 运行状态的线程可能会因为I/O操作、线程被优先级更高的线程抢占等原因被阻塞。
- 阻塞：线程由于某些原因（如I/O操作、等待锁等）无法执行，进入阻塞状态。
  - 阻塞状态下的线程不会占用CPU资源，直到引起阻塞的原因消失。
- 等待：线程调用wait()方法或超时等待，进入等待状态。
  - 等待状态下的线程将释放所有锁，并暂时退出同步代码块。
- 死亡：线程执行完毕或被终止，进入死亡状态。
  - 死亡状态的线程将不再占用任何系统资源。
线程优先级：线程优先级决定了线程被CPU调度的优先级。
- Java中，线程优先级分为1到10共10个等级，数字越大优先级越高。
- 线程优先级不能保证线程一定能够获得CPU时间，但可以提高线程被调度的概率。
守护线程：守护线程是服务线程，不会阻止程序退出。
- 守护线程通常用于执行后台任务，如垃圾回收、网络通信等。
- 当所有非守护线程结束时，程序将退出，即使守护线程仍在运行。
线程池：线程池管理一组线程，用于执行多个任务。
- 核心参数配置：包括核心线程数、最大线程数、存活时间、任务队列、拒绝策略等。
  - 核心线程数：线程池中最小线程数，即使没有任务，也会保持这些线程活动。
  - 最大线程数：线程池中最大线程数，当任务量增加时，线程池会创建新的线程。
  - 存活时间：空闲线程的存活时间，超过这个时间后，空闲线程将被回收。
  - 任务队列：存储等待执行的任务，常用的有数组阻塞队列、链表阻塞队列等。
  - 拒绝策略：当线程池已满，如何处理新任务，常用的策略有丢弃任务、抛出异常、使用CallerRunsPolicy等。
同步机制：
- 悲观锁：假设最坏情况，在操作前加锁，直到操作完成。
  - 实现方式：synchronized关键字、ReentrantLock等。
- 乐观锁：假设最坏情况不会发生，只在操作后检查，如果数据已被修改，则重新操作。
  - 实现方式：CAS（Compare-And-Swap）算法、乐观锁锁等。
- 读写锁：允许多个读操作同时进行，但写操作需要独占锁。
  - 实现方式：ReentrantReadWriteLock等。
- 条件变量：线程等待某个条件成立时挂起，条件成立时被唤醒。
  - 实现方式：Object.wait()和Object.notify()方法等。

并发集合

ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap实现。
- 实现方式：分段锁（Segment Locking），将数据分成多个段，每个段有自己的锁。
CopyOnWrite容器：适用于读多写少的场景，写操作时复制底层数组。
- 实现方式：在写操作时，复制底层数组，并将新数据写入新数组，最后替换旧数组。

并发工具类

Phaser：支持线程分阶段的并发控制。
- 实现方式：通过分阶段的方式，让线程在不同的阶段执行不同的任务。
Exchanger：允许两个线程在某个节点交换数据。
- 实现方式：两个线程在某个节点上等待，当另一个线程到达时，交换数据。
FutureTask：表示异步计算的结果。
- 实现方式：通过Future接口和Callable接口实现异步计算。

非阻塞算法

CAS原理：比较并交换，用于实现无锁算法。
- 实现方式：利用CPU的原子指令，比较内存中的值和预期值，如果相等，则交换值。
Atomic类：提供原子操作的工具类。
- 实现方式：通过volatile关键字和硬件支持的原子指令实现。
无锁队列：基于CAS原理实现的线程安全队列。
- 实现方式：利用CAS操作实现节点的插入和删除。

并发框架

Netty线程模型：基于Reactor模式，支持高并发、异步通信。
- 实现方式：使用主从多线程模型，一个或多个Boss线程负责接收客户端连接，多个Worker线程负责处理业务逻辑。
Akka Actor模型：基于Actor模型，实现高并发、分布式系统。
- 实现方式：每个Actor是一个独立的线程，通过消息传递进行通信。
Disruptor环形缓冲区：基于环形缓冲区实现的并发队列，性能极高。
- 实现方式：使用环形缓冲区存储数据，通过CAS操作实现节点的插入和删除。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架，它通过将SQL语句与Java对象进行映射，简化了数据库操作。

SQL映射

MyBatis通过XML或注解的方式，将SQL语句与Java对象进行映射。

注解映射：使用@Select、@Insert、@Update、@Delete等注解定义SQL语句。
- 实现方式：通过反射机制，根据注解信息动态生成SQL语句。
结果集映射：将SQL查询结果映射到Java对象。
- 实现方式：通过TypeHandler接口和ResultMap实现类型转换和映射。
关联查询：处理多表关联查询，将多个表的数据映射到同一个Java对象。
- 实现方式：通过联合查询或嵌套查询实现关联查询。

动态SQL

MyBatis支持动态SQL，可以编写灵活的SQL语句。

OGNL表达式：用于动态构建SQL语句。
- 实现方式：OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，用于在运行时动态构建对象图。
分支语句：根据条件执行不同的SQL语句。
- 实现方式：通过、、、等标签实现条件分支。
批量操作：支持批量插入、更新、删除操作。
- 实现方式：通过标签实现批量操作。

缓存机制

MyBatis提供了缓存机制，提高查询效率。

一级缓存：本地缓存，缓存单个SqlSession的数据。
- 实现方式：每个SqlSession都有自己的缓存，缓存数据在SqlSession关闭后失效。
二级缓存：应用级缓存，缓存应用范围内的数据。
- 实现方式：通过插件机制实现，可以将缓存数据存储在Redis、Memcached等缓存系统中。
自定义缓存：自定义缓存实现，如Redis缓存。
- 实现方式：通过实现Cache接口，自定义缓存数据存储和检索逻辑。

代理模式

MyBatis使用代理模式实现Mapper接口。

MapperProxy：代理类，实现Mapper接口。
- 实现方式：通过JDK动态代理或CGLIB实现代理。
插件：拦截MyBatis执行过程，实现自定义功能。
- 实现方式：通过实现Interceptor接口，拦截MyBatis的执行过程。

执行流程

MyBatis的执行流程包括：

SqlSession生命周期：创建、执行、关闭SqlSession。
- 创建：通过SqlSessionFactoryBuilder创建SqlSessionFactory，再通过SqlSessionFactory创建SqlSession。
- 执行：通过SqlSession执行Mapper接口的方法，MyBatis会根据Mapper接口的方法和XML配置文件生成SQL语句。
- 关闭：关闭SqlSession，释放资源。
执行器类型：SimpleExecutor、ReusingExecutor、BatchingExecutor。
- SimpleExecutor：简单执行器，每次执行都会创建新的Statement对象。
- ReusingExecutor：重用执行器，复用Statement对象。
- BatchingExecutor：批量执行器，支持批量执行SQL语句。
延迟加载：按需加载关联数据。
- 实现方式：通过@Lazy注解或标签实现延迟加载。

扩展机制

MyBatis提供多种扩展机制，提高开发效率。

类型处理器：处理Java类型与数据库类型之间的转换。
- 实现方式：通过实现TypeHandler接口，自定义类型转换逻辑。
拦截器链：拦截MyBatis执行过程，实现自定义功能。
- 实现方式：通过实现Interceptor接口，拦截MyBatis的执行过程。
方言支持：支持不同数据库的SQL语法。
- 实现方式：通过实现Dialect接口，自定义不同数据库的SQL语法。

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