并发编程核心解析

📕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

并发编程是计算机科学中的一个核心领域,它涉及到操作系统、计算机架构以及编程语言等多个层面的知识。以下是对并发编程知识体系的详细解析,我们将深入探讨每个技术点的实现细节。

  1. 线程基础 线程是并发编程的基本单位,它允许操作系统能够在同一时间执行多个任务。线程的生命周期管理是线程基础的重要组成部分,它包括以下几个状态:

    • 创建状态:线程被创建后,处于创建状态,此时线程还没有分配到资源。
    • 就绪状态:线程创建完成后,等待被调度执行的状态。
    • 运行状态:线程正在CPU上执行的状态。
    • 阻塞状态:线程由于某些原因(如等待资源、等待事件等)无法继续执行的状态。
    • 等待状态:线程主动等待某个条件成立的状态。
    • 超时状态:线程等待时间超过设定阈值后进入的状态。
    • 终止状态:线程执行完毕或者被强制终止的状态。

线程优先级是操作系统用来调度线程的依据,它决定了线程在多线程环境中的执行顺序。线程优先级通常由操作系统提供,不同的操作系统有不同的优先级设置方式。

守护线程是一种特殊的线程,它不会阻止程序终止。在Java中,通过调用setDaemon(true)方法可以将一个线程设置为守护线程。守护线程通常用于执行后台任务,如垃圾回收等。

线程池是管理一组线程的机制,它可以提高程序的性能。线程池的核心参数配置包括核心线程数、最大线程数、队列类型和拒绝策略。核心线程数决定了线程池在运行时保持的线程数,最大线程数决定了线程池能创建的最大线程数,队列类型决定了工作队列存储等待执行的任务的类型,拒绝策略决定了当任务数量超过最大线程数时如何处理新任务。

  1. 核心参数配置 线程池的核心参数配置对线程池的性能至关重要。以下是每个参数的技术实现细节:

    • 核心线程数:核心线程数通常设置为CPU核心数加1,以便在CPU空闲时执行任务。
    • 最大线程数:最大线程数应该根据任务类型和系统资源进行设置,例如,对于I/O密集型任务,最大线程数可以设置得较高;对于CPU密集型任务,最大线程数应该与CPU核心数相匹配。
    • 队列类型:常用的队列类型包括LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue和SynchronousQueue。LinkedBlockingQueue是无界队列,ArrayBlockingQueue是有界队列,SynchronousQueue是阻塞队列。
    • 拒绝策略:常用的拒绝策略包括AbortPolicy、CallerRunsPolicy和DiscardPolicy。AbortPolicy策略会抛出RejectedExecutionException异常;CallerRunsPolicy策略会让调用者自己执行任务;DiscardPolicy策略会直接丢弃任务。
  2. 同步机制 同步机制用于解决多线程并发访问共享资源时出现的问题。以下是几种常见的同步机制及其实现细节:

    • 悲观锁/乐观锁:悲观锁通过加锁来保证数据的一致性,而乐观锁则通过版本号或时间戳来检测冲突。在Java中,可以使用synchronized关键字实现悲观锁,使用ReentrantLock实现乐观锁。
    • 读写锁:读写锁允许多个线程同时读取共享资源,但只允许一个线程写入共享资源。在Java中,可以使用ReentrantReadWriteLock实现读写锁。
    • 条件变量:条件变量允许线程在满足特定条件时阻塞,并在条件满足时唤醒其他线程。在Java中,可以使用Condition接口实现条件变量。
  3. 并发集合 并发集合是专门为并发环境设计的集合类,它们提供了线程安全的操作。以下是几种常见的并发集合及其实现细节:

    • ConcurrentHashMap:ConcurrentHashMap基于分段锁技术实现,它将数据分为多个段,每个段有自己的锁,从而提高了并发性能。
    • CopyOnWrite容器:CopyOnWrite容器在修改操作时复制整个容器,适用于读多写少的场景。在Java中,可以使用CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArraySet实现CopyOnWrite容器。
    • BlockingQueue:BlockingQueue是线程安全的队列,支持生产者-消费者模式。在Java中,可以使用LinkedBlockingQueueArrayBlockingQueuePriorityBlockingQueue等实现BlockingQueue。
  4. 并发工具类 并发工具类提供了多种辅助功能,以下是一些常见的并发工具类及其实现细节:

    • Phaser:Phaser用于协调多个线程的执行,类似于CyclicBarrier。在Java中,可以使用java.util.concurrent.Phaser实现Phaser。
    • Exchanger:Exchanger用于在线程间交换数据。在Java中,可以使用java.util.concurrent.Exchanger实现Exchanger。
    • FutureTask:FutureTask用于异步执行任务,并获取执行结果。在Java中,可以使用java.util.concurrent.FutureTask实现FutureTask。
  5. 非阻塞算法 非阻塞算法是一种在多线程环境下,不使用锁和同步机制来保证数据一致性的算法。以下是几种常见的非阻塞算法及其实现细节:

    • CAS原理:CAS(Compare-And-Swap)是一种无锁算法,它通过原子操作比较并交换内存中的值来实现数据的一致性。
    • Atomic类:Java提供了java.util.concurrent.atomic包,其中包含了多种原子操作类,如AtomicInteger、AtomicLong等。
    • 无锁队列:无锁队列是线程安全的队列,不使用锁和同步机制。在Java中,可以使用java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceArray实现无锁队列。
  6. 并发框架 并发框架提供了一套完整的并发编程解决方案,以下是一些常见的并发框架及其实现细节:

    • Netty线程模型:Netty采用主从多线程模型,主线程负责接收客户端连接,从线程负责处理客户端请求。
    • Akka Actor模型:Akka是一个基于Actor模型的并发框架,它将并发编程抽象为消息传递,从而简化了并发编程的复杂性。
    • Disruptor环形缓冲区:Disruptor是一个高性能的并发队列,它使用环形缓冲区和无锁算法实现高并发性能。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架,它支持定制化SQL、存储过程以及高级映射。以下是对MyBatis知识体系的详细解析,我们将深入探讨每个技术点的实现细节。

  1. SQL映射 SQL映射是将Java对象与数据库表之间的映射关系,以下是一些常见的SQL映射技术及其实现细节:

    • 注解映射:MyBatis支持使用注解来定义SQL映射关系,例如@Select@Insert@Update@Delete等注解。
    • 结果集映射:MyBatis使用结果集映射将查询结果映射到Java对象,包括单列映射、多列映射和复杂类型映射。
    • 关联查询:MyBatis支持处理多表之间的关联关系,例如一对一、一对多和多对多关联。
    • 动态SQL:MyBatis支持根据条件动态构建SQL语句,例如使用<if><choose><when><otherwise>等标签。
  2. OGNL表达式 OGNL表达式是一种表达式语言,用于访问和操作对象图。在MyBatis中,OGNL表达式用于动态SQL和映射结果集,以下是一些常见的OGNL表达式及其实现细节:

    • 属性访问:使用.符号访问对象的属性,例如user.name
    • 方法调用:使用()符号调用对象的方法,例如user.getName()
    • 集合操作:OGNL支持集合操作,例如使用?符号获取集合的长度,使用[]符号访问集合的元素。
  3. 分支语句 分支语句用于处理多条件查询,以下是一些常见的分支语句及其实现细节:

    • if语句:根据条件执行特定的SQL片段。
    • choose语句:类似于if-else语句,但提供了更灵活的条件判断方式。
    • when语句:类似于if语句,但通常与choose语句一起使用。
    • otherwise语句:当所有条件都不满足时执行。
  4. 批量操作 批量操作可以提高数据库操作的效率,以下是一些常见的批量操作及其实现细节:

    • 插入操作:MyBatis支持批量插入操作,可以通过<foreach>标签实现。
    • 更新操作:MyBatis支持批量更新操作,可以通过<foreach>标签实现。
    • 删除操作:MyBatis支持批量删除操作,可以通过<foreach>标签实现。
  5. 缓存机制 MyBatis提供一级缓存和二级缓存机制,用于提高查询性能。以下是一些常见的缓存机制及其实现细节:

    • 一级缓存:MyBatis的一级缓存是本地缓存,每个SqlSession独立。它通过HashMap存储数据,并使用序列化机制保证数据的持久化。
    • 二级缓存:MyBatis的二级缓存是全局缓存,多个SqlSession共享。它通过org.apache.ibatis.cache.Cache接口实现,支持自定义缓存实现。
    • 自定义缓存:MyBatis支持自定义缓存实现,例如使用Redis、Memcached等缓存技术。
  6. 代理模式 MyBatis使用代理模式实现Mapper接口的动态代理,以下是一些代理模式的相关概念及其实现细节:

    • 代理模式:代理模式是一种设计模式,它允许在运行时创建一个代理对象来控制对目标对象的访问。
    • 动态代理:动态代理是一种代理模式,它可以在运行时创建代理对象。在Java中,可以使用java.lang.reflect.Proxy类实现动态代理。
  7. MapperProxy插件拦截 MapperProxy是MyBatis的动态代理实现,它用于拦截Mapper接口的方法调用。以下是一些MapperProxy的相关概念及其实现细节:

    • MapperProxy:MapperProxy是MyBatis的动态代理实现,它通过代理模式拦截Mapper接口的方法调用。
    • 插件拦截:MyBatis支持插件拦截,插件可以在方法调用前后执行特定的逻辑。在MyBatis中,可以使用org.apache.ibatis.plugin.Interceptor接口实现插件。
  8. 动态代理执行流程 动态代理执行流程包括以下几个步骤:

    • 创建代理对象:通过java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance方法创建代理对象。
    • 拦截方法调用:代理对象拦截目标对象的方法调用。
    • 执行目标方法:代理对象执行目标对象的方法。
    • 返回结果:代理对象返回执行结果。
  9. SqlSession生命周期 SqlSession是MyBatis的核心对象,用于执行数据库操作。以下是SqlSession的生命周期及其实现细节:

    • 创建:通过SqlSessionFactory.openSession()方法创建SqlSession。
    • 使用:执行数据库操作,如查询、插入、更新和删除等。
    • 关闭:关闭SqlSession,释放数据库连接和其他资源。
  10. 执行器类型 MyBatis提供多种执行器类型,以下是一些常见的执行器类型及其实现细节:

  • 简单执行器:简单执行器执行SQL语句,但不支持批量操作和缓存。
  • 批量执行器:批量执行器支持批量操作和缓存。
  • 缓存执行器:缓存执行器支持缓存,但不支持批量操作。
  1. 延迟加载 延迟加载是一种优化技术,用于按需加载关联数据。以下是延迟加载的实现细节:
  • 关联关系:在MyBatis中,可以通过配置<association><collection>标签来定义关联关系。
  • 懒加载:通过设置lazy属性为true,可以实现懒加载。
  1. 扩展机制 MyBatis提供扩展机制,以下是一些常见的扩展机制及其实现细节:
  • 类型处理器:类型处理器用于将数据库中的数据类型转换为Java对象类型。
  • 拦截器链:拦截器链用于在方法调用前后执行特定的逻辑。
  • 方言支持:方言支持用于处理不同数据库的特定语法和特性。

总结

并发编程和MyBatis是现代软件开发中不可或缺的知识体系。通过深入理解并发编程和MyBatis的知识体系,我们可以设计出高效、稳定、可扩展的软件系统。在实际应用中,我们可以将并发编程和MyBatis的知识点进行串联,实现高效、稳定、可扩展的软件系统。

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