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。

Java程序员廖志伟

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一、并发编程知识体系

并发编程是现代计算机科学中的一个核心领域,它涉及到如何有效地管理和执行多个任务,以提高程序的执行效率和响应速度。以下是对并发编程知识体系的详细描述,包括技术实现细节。

‌线程基础 线程是并发编程中最基本的执行单元,它是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程的实现依赖于操作系统的线程管理机制,通常包括以下技术细节:

  1. 独立的执行流:线程可以在程序中独立执行,互不干扰。这通过操作系统的任务调度器实现,任务调度器负责在可运行的线程之间进行切换。

  2. 资源共享:线程可以共享程序的全局资源,如内存、文件等。为了保证数据的一致性和避免竞态条件,线程间需要通过同步机制,如互斥锁(Mutex)和条件变量(Condition Variable)。

  3. 独立的栈:每个线程都有自己的栈空间,用于存储局部变量和函数调用等信息。线程的栈空间通常在创建线程时分配,并在线程结束时释放。

‌线程生命周期 线程的生命周期分为以下五个阶段,每个阶段都有其技术实现细节:

  1. 新建(New):线程对象被创建后,进入新建状态。此时线程尚未分配资源,无法被调度。

  2. 可运行(Runnable):线程获取到CPU资源后,进入可运行状态。线程在此状态可以运行,也可以被阻塞。

  3. 阻塞(Blocked):线程因为某些原因无法获取到CPU资源,进入阻塞状态。可能的原因包括等待同步资源、等待某个条件成立等。

  4. 终止(Terminated):线程执行完毕或被强制终止,进入终止状态。此时线程不再占用CPU资源。

  5. 死亡(Dead):线程的终止状态被清理后,进入死亡状态。此时线程不再存在于系统中。

‌线程优先级 线程优先级决定了线程获取CPU资源的优先程度,其技术实现细节如下:

  1. 最小优先级(MIN_PRIORITY):线程优先级最低,通常由操作系统的线程调度器确定。

  2. 标准优先级(NORM_PRIORITY):线程优先级为默认值,由操作系统的线程调度器确定。

  3. 最大优先级(MAX_PRIORITY):线程优先级最高,通常由操作系统的线程调度器确定。

‌守护线程 守护线程是服务线程,它为其他线程提供服务。其技术实现细节如下:

  1. 当所有非守护线程执行完毕后,守护线程也会自动结束。

  2. 在Java中,可以通过调用setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。

‌线程池 线程池是一种管理线程的机制,它可以提高程序的性能和资源利用率。其技术实现细节如下:

  1. 避免频繁创建和销毁线程,减少系统开销。

  2. 提高线程的复用率,降低线程创建和销毁的成本。

  3. 控制线程的数量,避免系统资源耗尽。

‌核心参数配置 线程池的核心参数配置包括以下技术细节:

  1. 核心线程数:线程池在运行时保持的线程数量。

  2. 最大线程数:线程池能够创建的最大线程数量。

  3. 队列类型:线程池使用的队列类型,如LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等。

  4. 拒绝策略:当任务数量超过队列容量时,如何处理新提交的任务。

‌同步机制 同步机制是保证线程安全的重要手段,其技术实现细节如下:

  1. 悲观锁:假设多个线程会同时访问共享资源,因此在访问共享资源时,需要加锁。

  2. 乐观锁:假设多个线程不会同时访问共享资源,因此在访问共享资源时,不需要加锁。

  3. 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共享资源。

  4. 条件变量:用于等待某个条件成立时,再继续执行。

‌并发集合 Java提供了多种并发集合,其技术实现细节如下:

  1. ConcurrentHashMap:线程安全的HashMap,适用于高并发场景。

  2. CopyOnWriteArrayList:线程安全的ArrayList,适用于读多写少的场景。

  3. CopyOnWriteArraySet:线程安全的HashSet,适用于读多写少的场景。

‌ConcurrentHashMap ConcurrentHashMap是Java 1.5引入的线程安全HashMap,它通过分段锁(Segment Locking)实现线程安全。其技术实现细节如下:

  1. 高并发性能:通过分段锁,降低了锁的竞争。

  2. 线程安全:保证并发环境下数据的正确性。

‌CopyOnWrite容器 CopyOnWrite容器是Java 1.5引入的一种线程安全容器,它通过复制整个容器来保证线程安全。其技术实现细节如下:

  1. 高读性能:适用于读多写少的场景。

  2. 写操作开销较大:写操作需要复制整个容器。

‌BlockingQueue BlockingQueue是一种线程安全的队列,它支持生产者-消费者模型。其技术实现细节如下:

  1. LinkedBlockingQueue:基于链表的阻塞队列,适用于任务量较大时。

  2. ArrayBlockingQueue:基于数组的阻塞队列,适用于任务量较小、有固定容量的场景。

  3. PriorityBlockingQueue:基于优先级的阻塞队列,适用于优先级任务。

‌并发工具类 以下是一些常见的并发工具类,其技术实现细节如下:

  1. Phaser:用于控制多个线程的执行顺序。

  2. Exchanger:用于在线程之间交换数据。

  3. FutureTask:用于异步执行任务。

‌非阻塞算法 非阻塞算法是一种在多线程环境下,不使用锁或其他同步机制,通过原子操作来实现线程安全的算法。其技术实现细节如下:

  1. CAS(Compare-And-Swap)算法:用于原子更新变量。

  2. Atomic类:提供原子操作的工具类。

‌CAS原理 CAS算法是一种无锁算法,它通过原子操作来实现线程安全。其技术实现细节如下:

  1. V:内存中变量的值。

  2. A:预期值。

  3. B:新值。

‌Atomic类 Atomic类是Java提供的一组原子操作工具类,其技术实现细节如下:

  1. AtomicInteger:原子操作整型变量。

  2. AtomicLong:原子操作长整型变量。

  3. AtomicReference:原子操作引用类型变量。

‌无锁队列 无锁队列是一种不使用锁来实现线程安全的队列,其技术实现细节如下:

  1. ConcurrentLinkedQueue:基于链表的并发队列。

  2. ConcurrentSkipListSet:基于跳表的并发集合。

‌并发框架 以下是一些常见的并发框架,其技术实现细节如下:

  1. Netty:高性能的NIO框架,用于开发网络应用程序。

  2. Akka:基于Actor模型的并发框架,适用于分布式系统。

  3. Disruptor:高性能的环形缓冲区,适用于高并发场景。

‌Netty线程模型 Netty采用主从多线程模型,其技术实现细节如下:

  1. BossGroup:负责处理连接的线程。

  2. WorkerGroup:负责处理业务的线程。

‌Akka Actor模型 Akka采用Actor模型,其技术实现细节如下:

  1. 无状态:Actor之间不共享状态。

  2. 异步通信:Actor之间通过消息传递进行通信。

‌Disruptor环形缓冲区 Disruptor是一种高性能的环形缓冲区,其技术实现细节如下:

  1. 高性能:通过无锁算法,降低了锁的竞争。

  2. 低延迟:适用于高并发场景。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架,它将数据库操作封装成Java对象,简化了数据库操作。以下是对MyBatis知识体系的详细描述,包括技术实现细节。

‌SQL映射 SQL映射是将Java对象与数据库表之间的映射关系。MyBatis使用XML或注解的方式来实现SQL映射。其技术实现细节如下:

  1. 注解映射:MyBatis提供了以下注解来实现注解映射:

    • @Select:用于定义查询SQL。

    • @Insert:用于定义插入SQL。

    • @Update:用于定义更新SQL。

    • @Delete:用于定义删除SQL。

  2. 结果集映射:结果集映射是将数据库表中的数据映射到Java对象中。MyBatis提供了以下方式来实现结果集映射:

    • ResultMap:通过XML或注解的方式定义结果集映射。

    • 自动映射:MyBatis会自动将数据库表中的列映射到Java对象的属性。

‌关联查询 关联查询用于实现多表之间的数据关联。MyBatis提供了以下方式来实现关联查询:

  1. 一对一查询:通过ResultMap或@One注解实现。

  2. 一对多查询:通过ResultMap或@Many注解实现。

  3. 多对多查询:通过ResultMap或@Many注解实现。

‌动态SQL 动态SQL用于根据不同的条件动态生成SQL语句。MyBatis提供了以下方式来实现动态SQL:

  1. :根据条件判断是否执行SQL片段。

  2. :根据条件判断执行不同的SQL片段。

  3. :遍历集合,生成SQL片段。

‌OGNL表达式 OGNL(Object-Graph Navigation Language)是一种表达式语言,用于在MyBatis中实现动态SQL。其技术实现细节如下:

  1. 属性访问:访问对象的属性。

  2. 方法调用:调用对象的方法。

  3. 集合操作:遍历集合。

‌分支语句 分支语句用于根据不同的条件执行不同的SQL语句。MyBatis提供了以下方式来实现分支语句:

  1. :根据条件判断是否执行SQL片段。

  2. :根据条件判断执行不同的SQL片段。

‌批量操作 批量操作用于同时执行多个SQL语句。MyBatis提供了以下方式来实现批量操作:

  1. :遍历集合,生成SQL片段。

  2. :删除多条记录。

‌缓存机制 MyBatis提供了缓存机制,用于提高数据库操作的效率。以下是一些常见的缓存机制,其技术实现细节如下:

  1. 一级缓存:MyBatis内部缓存,用于缓存SQL语句的执行结果。

  2. 二级缓存:应用级缓存,用于缓存整个应用程序的数据。

‌一级缓存 一级缓存是MyBatis内部缓存,其技术实现细节如下:

  1. 读写缓存:支持读取和写入缓存。

  2. 缓存失效:在SQL语句执行过程中,缓存会自动失效。

‌二级缓存 二级缓存是应用级缓存,其技术实现细节如下:

  1. 分布式缓存:支持分布式缓存。

  2. 缓存失效:在SQL语句执行过程中,缓存会自动失效。

‌自定义缓存 MyBatis允许自定义缓存,其技术实现细节如下:

  1. 可插拔:支持插拔缓存。

  2. 可扩展:支持扩展缓存功能。

‌代理模式 MyBatis使用代理模式来封装数据库操作,其技术实现细节如下:

  1. MapperProxy:用于封装Mapper接口。

  2. SqlSession:用于封装数据库操作。

‌MapperProxy MapperProxy是MyBatis中使用的一个代理类,其技术实现细节如下:

  1. 动态代理:使用动态代理技术实现。

  2. 代理方法:代理Mapper接口的方法。

‌插件拦截 MyBatis提供了插件拦截机制,其技术实现细节如下:

  1. ExecutorInterceptor:拦截Executor的执行过程。

  2. StatementHandlerInterceptor:拦截StatementHandler的执行过程。

‌动态代理执行流程 MyBatis使用动态代理技术来实现数据库操作,其技术实现细节如下:

  1. 创建MapperProxy实例。

  2. 创建Mapper接口的代理对象。

  3. 执行代理对象的方法。

‌SqlSession生命周期 SqlSession是MyBatis的核心对象,其技术实现细节如下:

  1. 创建SqlSession:通过SqlSessionFactory创建SqlSession。

  2. 执行数据库操作:使用SqlSession执行数据库操作。

  3. 关闭SqlSession:关闭SqlSession,释放资源。

‌执行器类型 MyBatis提供了以下执行器类型,其技术实现细节如下:

  1. SimpleExecutor:简单的执行器,适用于单条SQL语句的执行。

  2. BatchExecutor:批量执行器,适用于批量SQL语句的执行。

  3. ReuseExecutor:重用执行器,适用于频繁执行相同SQL语句的场景。

‌延迟加载 延迟加载是一种优化数据库操作的技术,其技术实现细节如下:

  1. @Lazy:用于标记延迟加载的字段。

  2. :用于实现延迟加载的关联查询。

‌扩展机制 MyBatis提供了扩展机制,其技术实现细节如下:

  1. 插件:通过实现Interceptor接口来实现插件。

  2. 拦截器:通过实现Interceptor接口来实现拦截器。

‌类型处理器 MyBatis提供了类型处理器,其技术实现细节如下:

  1. IntegerTypeHandler:将Java整型与数据库整型进行转换。

  2. StringTypeHandler:将Java字符串与数据库字符串进行转换。

‌拦截器链 MyBatis提供了拦截器链,其技术实现细节如下:

  1. ExecutorInterceptor:拦截Executor的执行过程。

  2. StatementHandlerInterceptor:拦截StatementHandler的执行过程。

‌方言支持 MyBatis提供了方言支持,其技术实现细节如下:

  1. MySQL:MySQL数据库方言。

  2. Oracle:Oracle数据库方言。

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