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

并发编程是计算机科学中的重要领域，它涉及到如何让计算机同时处理多个任务，从而提高程序的执行效率。以下将详细阐述并发编程的核心知识点，并深入探讨其技术实现细节。

1. 线程基础

线程是并发编程的基本单元，它是执行程序的最小单位。线程的实现细节包括：

（1）轻量级：线程相对于进程来说，创建和销毁的开销较小。这是因为线程共享进程的地址空间，而进程则需要独立的空间。在Java中，线程的实现依赖于操作系统的线程库，如pthread（POSIX线程）或Windows线程。

（2）独立：每个线程都有自己的执行栈、程序计数器和寄存器。线程的执行栈用于存储局部变量和函数调用，程序计数器用于指示当前执行的指令地址，寄存器用于存储计算结果和地址。

（3）共享：线程共享进程的内存空间、文件句柄等资源。这允许线程之间进行数据交换，但也可能导致资源竞争和数据不一致。

线程生命周期包括以下状态：

（1）新建（New）：线程对象被创建后，处于此状态。此时线程尚未启动，无法执行任何操作。

（2）就绪（Runnable）：线程等待CPU调度，处于就绪状态。此时线程已准备好执行，但尚未获得CPU时间。

（3）运行（Running）：线程被CPU调度执行，处于运行状态。此时线程正在执行任务。

（4）阻塞（Blocked）：线程由于等待某些资源或条件，无法执行，处于阻塞状态。例如，线程在等待一个互斥锁时，会进入阻塞状态。

（5）等待（Waiting）：线程进入等待状态，直到其他线程调用notify或notifyAll方法唤醒它。例如，线程在等待某个事件发生时，会进入等待状态。

（6）超时等待（Timed Waiting）：线程在等待一定时间后，会自动进入就绪状态。这允许线程在等待超时后继续执行。

线程优先级决定了线程在CPU调度时的优先级。Java中，线程优先级分为1~10级，其中1为最低优先级，10为最高优先级。线程优先级并非绝对的，操作系统会根据具体情况调整线程的执行顺序。

守护线程是一种特殊的线程，它始终处于运行状态，直到虚拟机退出。守护线程通常用于执行后台任务，如垃圾回收。守护线程的创建和使用需要注意以下几点：

• 守护线程不能启动或停止守护线程，也不能将守护线程转换为用户线程。
• 守护线程不能创建新的线程，否则整个虚拟机都将变为守护线程，无法正常退出。

线程池是一种管理线程的工具，它可以提高应用程序的并发性能。线程池的核心参数配置包括：

（1）核心线程数：线程池中的核心线程数，即即使空闲，线程池也会保持的线程数。核心线程数过多，会消耗大量系统资源；核心线程数过少，会降低并发性能。

（2）最大线程数：线程池中允许的最大线程数。当任务数量超过核心线程数时，线程池会创建新的线程来执行任务。

（3）存活时间：空闲线程在终止前可以保持空闲的时间。超过存活时间的空闲线程将被终止。

（4）工作队列：存放等待执行的任务队列。工作队列类型包括以下几种：

• LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，适用于任务数量不确定的场景。
• ArrayBlockingQueue：基于数组的阻塞队列，适用于任务数量确定或可预知的场景。
• PriorityBlockingQueue：具有优先级的阻塞队列。

（5）拒绝策略：当任务数量超过线程池的处理能力时，如何处理新任务。拒绝策略包括以下几种：

• CallerRunsPolicy：调用者运行策略，即交给调用者去执行。
• AbortPolicy：抛出RejectedExecutionException异常。
• DiscardPolicy：丢弃任务。
• DiscardOldestPolicy：丢弃最早进入队列的任务。

2. 核心参数配置与拒绝策略

线程池的拒绝策略包括以下几种：

（1）CallerRunsPolicy：调用者运行策略，即交给调用者去执行。这种策略可以避免线程池过载，但会降低并发性能。

（2）AbortPolicy：抛出RejectedExecutionException异常。这种策略简单粗暴，但可能导致应用程序崩溃。

（3）DiscardPolicy：丢弃任务。这种策略适用于任务不重要或可重试的场景。

（4）DiscardOldestPolicy：丢弃最早进入队列的任务。这种策略可以降低线程池的负载，但可能会影响任务的执行顺序。

3. 工作队列类型

工作队列类型包括以下几种：

（1）LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，适用于任务数量不确定的场景。LinkedBlockingQueue在添加和移除元素时，会使用锁来保证线程安全。

（2）ArrayBlockingQueue：基于数组的阻塞队列，适用于任务数量确定或可预知的场景。ArrayBlockingQueue在添加和移除元素时，会使用锁来保证线程安全。

（3）PriorityBlockingQueue：具有优先级的阻塞队列。PriorityBlockingQueue在添加和移除元素时，会根据元素的优先级来排序。

4. 同步机制

同步机制包括以下几种：

（1）悲观锁：假设并发访问共享资源时会发生冲突，因此在访问共享资源前，先对资源进行加锁。悲观锁可以保证在访问共享资源时，其他线程无法修改它。常见的悲观锁包括互斥锁（Mutex）和读写锁（ReadWriteLock）。

（2）乐观锁：假设并发访问共享资源时不会发生冲突，因此在访问共享资源时，使用版本号或时间戳进行判断。乐观锁可以减少锁的竞争，提高并发性能。常见的乐观锁包括CAS（Compare-And-Swap）操作和版本号。

（3）读写锁：允许多个线程同时读取资源，但只有一个线程可以写入资源。读写锁可以提高并发性能，尤其是在读多写少的应用场景中。常见的读写锁实现包括ReentrantReadWriteLock。

（4）条件变量：允许线程在满足特定条件时阻塞，并在条件成立时唤醒等待的线程。条件变量可以简化线程间的同步操作，提高代码可读性。常见的条件变量实现包括java.util.concurrent.locks.Condition。

5. 并发集合

并发集合包括以下几种：

（1）ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap实现。ConcurrentHashMap通过分段锁（Segment Locking）技术，将数据分割成多个段，每个段由一个锁来管理，从而减少锁的竞争。

（2）CopyOnWrite容器：在读取操作时，使用最新副本进行操作，适用于读多写少的场景。CopyOnWrite容器在写入操作时，会创建一个新的副本，并更新原副本，从而保证数据的一致性。

（3）BlockingQueue：线程安全的队列实现，支持阻塞操作。BlockingQueue允许线程在队列为空时等待，直到有新的元素加入队列。

6. 并发工具类

并发工具类包括以下几种：

（1）Phaser：用于控制多个线程的并发执行，类似于CyclicBarrier。Phaser允许线程在执行过程中进行阶段性的同步，从而提高并发性能。

（2）Exchanger：用于两个线程之间交换数据。Exchanger允许两个线程在交换数据时，保证数据的一致性。

（3）FutureTask：代表异步计算的结果。FutureTask允许线程在执行异步任务时，获取任务执行的结果。

7. 非阻塞算法

非阻塞算法包括以下几种：

（1）CAS（Compare-And-Swap）原理：比较并交换，用于实现无锁编程。CAS操作包括三个操作数：内存位置、预期值和新值。如果内存位置的值与预期值相等，则将新值写入内存位置。

（2）Atomic类：提供原子操作的类，如AtomicInteger、AtomicLong等。Atomic类使用CAS操作保证操作的原子性。

（3）无锁队列：使用CAS原理实现的线程安全队列。无锁队列在添加和移除元素时，使用CAS操作保证线程安全。

8. 并发框架

并发框架包括以下几种：

（1）Netty线程模型：基于NIO的异步、事件驱动网络应用框架。Netty采用主从多线程模型，提高并发性能。

（2）Akka Actor模型：使用Actor编程模型实现并发应用。Akka允许程序以事件驱动的方式运行，提高并发性能。

（3）Disruptor环形缓冲区：基于环形缓冲区的并发框架，提供高性能的消息传递。Disruptor通过环形缓冲区实现高效的消息传递，减少锁的竞争。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一款优秀的持久层框架，它支持定制化SQL、存储过程以及高级映射。以下将详细阐述MyBatis的核心知识点，并深入探讨其技术实现细节。

1. SQL映射

MyBatis通过映射文件将SQL语句与Java对象进行绑定，包括以下内容：

（1）注解映射：使用注解将SQL语句与Java对象进行绑定。例如，使用@Select、@Insert、@Update和@Delete注解来映射SQL语句。

（2）结果集映射：将查询结果映射到Java对象。MyBatis使用OGNL表达式进行结果集映射，可以方便地实现复杂的映射关系。

（3）关联查询：处理一对多、多对多等关联关系。MyBatis支持嵌套查询和联合查询，可以方便地处理关联关系。

（4）动态SQL：根据条件动态构建SQL语句。MyBatis支持使用OGNL表达式和SQL片段来实现动态SQL。

2. 动态SQL

动态SQL包括以下内容：

（1）OGNL表达式：用于动态获取对象属性值。OGNL表达式是一种表达式语言，可以方便地获取对象的属性值、调用方法等。

（2）分支语句：根据条件执行不同的SQL语句。MyBatis支持使用 、 和 等标签来实现分支语句。

（3）批量操作：支持批量插入、删除等操作。MyBatis支持使用 标签来实现批量操作。

3. 缓存机制

MyBatis支持一级缓存和二级缓存：

（1）一级缓存：本地缓存，每个SqlSession独立使用。一级缓存可以减少数据库的访问次数，提高查询性能。

（2）二级缓存：全局缓存，所有SqlSession共享。二级缓存可以提高查询性能，但需要合理配置，避免缓存数据不一致。

（3）自定义缓存：支持自定义缓存实现。自定义缓存可以实现更复杂的缓存策略，满足特定需求。

4. 代理模式

MyBatis使用代理模式实现Mapper接口的动态代理，包括以下内容：

（1）MapperProxy：MyBatis提供的动态代理类。MapperProxy负责拦截Mapper接口方法，实现SQL执行。

（2）代理拦截：拦截Mapper接口方法，实现SQL执行。MyBatis通过反射技术实现代理拦截，将方法调用转换为SQL执行。

5. 插件与动态代理执行流程

MyBatis支持插件机制，用于扩展功能：

（1）插件拦截：拦截MyBatis执行过程，如执行器、查询器等。插件可以修改SQL语句、执行结果等。

（2）动态代理执行流程：MyBatis使用动态代理技术实现Mapper接口的代理，并在执行过程中调用插件。

6. SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心对象，用于执行SQL语句：

（1）获取SqlSession：通过SqlSessionFactory获取SqlSession。SqlSessionFactory负责创建SqlSession，并管理SqlSession的生命周期。

（2）使用SqlSession：执行SQL语句、提交事务、关闭SqlSession。SqlSession使用完毕后，需要关闭，释放资源。

7. 执行器类型

MyBatis提供以下执行器类型：

（1）SimpleExecutor：简单执行器，适用于单条SQL语句执行。SimpleExecutor直接执行SQL语句，不进行缓存和预处理。

（2）ReusingExecutor：重用执行器，适用于批量SQL语句执行。ReusingExecutor会缓存预处理语句，提高批量操作的执行效率。

（3）BatchExecutor：批量执行器，适用于批量插入、删除等操作。BatchExecutor会合并多个SQL语句，提高批量操作的执行效率。

8. 延迟加载与扩展机制

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对象，减少内存占用。MyBatis支持使用 和 标签实现延迟加载。

（2）扩展机制：支持自定义类型处理器、拦截器链、方言等。自定义扩展可以提高MyBatis的功能和性能。

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