并发编程核心知识

📕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

线程基础

在并发编程中，线程是程序执行的最小单位，它允许多个任务并行执行，从而提高程序的响应速度和效率。理解线程的基础知识是深入探索并发编程的关键。

线程生命周期

线程的生命周期是一个复杂的过程，涉及多个阶段。在Java中，线程的生命周期可以分为以下七个阶段：

1. 新建（New）：线程对象被创建，但是还没有被启动。
2. 就绪（Runnable）：线程对象已经准备好执行，等待被调度执行。
3. 运行（Running）：线程正在被CPU执行。
4. 阻塞（Blocked）：线程因为某些原因无法执行，例如等待资源或等待某个条件成立。
5. 等待（Waiting）：线程处于等待状态，直到某个条件成立。
6. 超时等待（Timed Waiting）：线程处于等待状态，直到某个条件成立或者等待时间超过了指定的时间。
7. 终止（Terminated）：线程执行完毕，生命周期结束。

线程在生命周期中的状态转换是由线程调度器控制的，线程调度器负责根据一定的调度策略来选择哪个线程执行。

线程优先级

线程优先级是线程调度器在调度线程时考虑的一个因素，它表示线程获得CPU执行时间的优先程度。Java中，线程优先级分为1到10共10个等级，优先级高的线程有更大的机会被调度执行。线程优先级并不是绝对的，线程调度器会根据实际情况来调整线程的执行顺序。

守护线程

守护线程是一种特殊的线程，它为其他线程提供服务。当所有非守护线程结束时，守护线程也会自动结束。守护线程通常用于执行一些不需要用户交互的辅助性任务，例如垃圾回收器。

线程池

线程池是管理一组线程的集合，它能够提高程序的性能和资源利用率。线程池的核心参数配置包括核心线程数、最大线程数、存活时间、工作队列类型等。线程池通过重用现有的线程来减少线程创建和销毁的开销，从而提高程序的执行效率。

拒绝策略

当线程池达到最大线程数时，如果还有任务提交，线程池会根据拒绝策略决定如何处理新任务。常见的拒绝策略有：

• AbortPolicy（抛出异常）：当线程池已满时，抛出RejectedExecutionException异常。
• CallerRunsPolicy（调用者运行）：当线程池已满时，将任务回退给调用者线程执行。
• DiscardPolicy（丢弃任务）：当线程池已满时，直接丢弃任务。
• DiscardOldestPolicy（丢弃最旧任务）：当线程池已满时，丢弃队列中最旧的任务。

同步机制

同步机制是保证多线程安全的重要手段，主要包括：

• 悲观锁：假设并发操作会引发冲突，因此在操作开始时就加锁，直到操作完成才释放锁。常见的悲观锁实现有synchronized关键字和ReentrantLock等。
• 乐观锁：假设并发操作不会引发冲突，只在操作完成后检查是否有冲突，如果有则重新操作。常见的乐观锁实现有CAS（Compare-And-Swap）算法等。
• 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。常见的读写锁实现有ReentrantReadWriteLock等。
• 条件变量：允许线程在满足特定条件时进行等待，直到条件满足时才继续执行。常见的条件变量实现有Condition接口等。

并发集合

并发集合是为了解决多线程环境下数据结构的安全问题而设计的。常见的并发集合包括：

• ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap实现，基于分段锁（Segment Locking）技术，提高了并发访问效率。
• CopyOnWrite容器：在写操作时创建一个新的副本，避免数据竞争。适用于读多写少的场景。
• BlockingQueue：线程安全的队列实现，支持生产者-消费者模型。常见的实现有ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等。

并发工具类

• Phaser：一个灵活的同步工具，可以用于协调多个线程的执行顺序。Phaser允许线程在某个阶段暂停，等待其他线程到达该阶段。
• Exchanger：允许两个线程在某个时刻交换数据。
• FutureTask：代表异步计算的结果。

非阻塞算法

非阻塞算法通过使用原子操作和条件变量等技术，实现线程间的无锁通信。常见的非阻塞算法有CAS（Compare-And-Swap）算法等。

CAS原理

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁算法，它通过比较和交换操作来更新数据，从而避免锁的开销。CAS算法包含三个操作数：内存位置V、预期原值A和新值B。当V的值等于A时，将V的值修改为B，否则不做任何操作。

Atomic类

Atomic类提供了一系列原子操作，如AtomicInteger、AtomicLong等，用于处理基本数据类型的原子操作。这些类内部使用CAS算法来保证操作的原子性。

无锁队列

无锁队列是一种基于CAS原理实现的线程安全队列，它允许多个线程并发访问，而不需要使用锁。常见的无锁队列实现有ConcurrentLinkedQueue等。

并发框架

• Netty线程模型：Netty使用主从多线程模型，一个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。这种模型提高了并发处理能力，并降低了系统开销。
• Akka Actor模型：Akka使用Actor模型，每个Actor是一个消息处理器，可以并发地处理消息。Actor模型具有高度的并发性和容错性，适用于构建分布式系统。
• Disruptor环形缓冲区：Disruptor使用环形缓冲区，通过发布-订阅模式实现线程间的通信。这种模式具有低延迟和高吞吐量的特点，适用于构建高性能并发系统。

二、MyBatis知识体系

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。这种映射关系使得开发者可以专注于业务逻辑，而无需关心SQL语句的编写。

注解映射

MyBatis提供了一系列注解，如@Select、@Insert、@Update、@Delete等，用于定义SQL映射。这些注解可以简化SQL映射的编写过程，提高代码的可读性和可维护性。

结果集映射

MyBatis可以将查询结果映射到Java对象，包括基本类型、集合、自定义类型等。这种映射关系可以简化数据的处理过程，提高代码的效率。

关联查询

MyBatis支持关联查询，可以方便地处理一对多、多对多等关系。关联查询通过嵌套的SELECT语句来实现，可以有效地处理复杂的数据库关系。

动态SQL

MyBatis支持动态SQL，可以根据条件动态生成SQL语句。动态SQL可以通过 、 、 等标签来实现，提高了SQL语句的灵活性和可维护性。

OGNL表达式

OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，用于在MyBatis中访问对象属性和执行逻辑操作。OGNL表达式可以方便地访问对象的属性、执行条件判断、循环等操作。

分支语句

MyBatis支持分支语句，可以根据条件执行不同的SQL片段。分支语句通过 、 、 、 等标签来实现，提高了SQL语句的灵活性和可维护性。

批量操作

MyBatis支持批量操作，可以同时执行多条SQL语句。批量操作可以显著提高数据库操作的效率，减少数据库访问次数。

缓存机制

MyBatis提供了缓存机制，包括一级缓存和二级缓存。

一级缓存

一级缓存是SqlSession级别的缓存，用于缓存SqlSession执行过的查询结果。当SqlSession关闭时，一级缓存会自动失效。

二级缓存

二级缓存是Mapper级别的缓存，用于缓存Mapper执行过的查询结果。二级缓存可以跨SqlSession持久化，提高了查询效率。

自定义缓存

MyBatis允许自定义缓存，通过实现Cache接口来实现。自定义缓存可以根据业务需求进行定制，提高了缓存的灵活性和可扩展性。

代理模式

MyBatis使用代理模式实现Mapper接口，通过动态代理技术创建Mapper实例。动态代理可以减少代码量，提高代码的可维护性。

MapperProxy

MapperProxy是MyBatis用于创建Mapper实例的动态代理类。它通过反射调用Mapper接口的方法，并处理SQL映射和结果集映射等操作。

插件拦截

MyBatis允许通过插件拦截SQL执行过程，实现自定义功能。插件可以拦截SQL的执行、参数处理、结果处理等操作，提高了MyBatis的扩展性。

动态代理执行流程

MyBatis通过动态代理技术实现Mapper接口，执行流程如下：

1. 创建MapperProxy实例。
2. 使用反射调用Mapper接口的方法。
3. 调用MyBatis的执行器执行SQL语句。
4. 返回执行结果。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心对象，它代表了与数据库的会话。SqlSession的生命周期包括创建、使用和关闭。创建SqlSession通常通过SqlSessionFactory来获取，使用完毕后需要关闭SqlSession以释放资源。

执行器类型

MyBatis提供了多种执行器类型，如SimpleExecutor、ReusingExecutor和BatchExecutor，用于执行SQL语句。不同的执行器类型具有不同的特点，可以根据业务需求选择合适的执行器类型。

延迟加载

MyBatis支持延迟加载，可以在需要时才加载关联对象。延迟加载可以减少数据库访问次数，提高查询效率。

扩展机制

MyBatis提供了多种扩展机制，如类型处理器、拦截器链和方言支持，用于扩展MyBatis的功能。

类型处理器

类型处理器用于将数据库类型转换为Java类型。MyBatis提供了多种类型处理器，可以方便地处理不同类型的数据库字段。

拦截器链

拦截器链用于拦截SQL执行过程，实现自定义功能。MyBatis提供了多种拦截器，可以拦截SQL的执行、参数处理、结果处理等操作。

方言支持

MyBatis支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle等。方言支持可以方便地处理不同数据库的特有语法和功能。

通过以上知识体系的介绍，我们可以看到并发编程和MyBatis在实现高性能、可扩展的应用程序中的重要性。在实际开发中，我们需要根据具体需求选择合适的并发策略和MyBatis配置，以达到最佳的性能和可维护性。

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