并发编程知识精粹

📕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、CSDN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一个重要领域，它涉及到如何在单个处理器上同时执行多个任务，以提高系统资源利用率和响应速度。以下是对并发编程知识体系的详细阐述，旨在使复杂的概念变得通俗易懂，并深入探讨其技术实现细节。

线程基础

线程是并发编程的基本执行单元，它允许多个任务在单个程序中同时执行。以下是线程的一些基础知识和技术实现细节：

• 线程生命周期：线程从创建、就绪、运行、阻塞、等待到终止的整个过程，每个阶段都有其特定的技术实现。

  • 创建：通过Thread类或Runnable接口创建线程。在Java中，线程的创建是通过调用Thread类的构造函数来实现的，例如：Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { // 线程要执行的任务 } }); 或者通过实现Runnable接口。

  • 就绪：线程创建后，进入就绪状态，等待CPU分配时间片。在操作系统中，线程被调度到就绪队列中，一旦CPU空闲，线程调度器会从就绪队列中选取一个线程进行执行。

  • 运行：线程获得CPU时间片，开始执行。在运行状态中，线程会执行其任务，直到时间片用完或者被阻塞。

  • 阻塞：线程由于某些原因（如等待资源）无法执行。线程可能会因为I/O操作、等待锁等原因而进入阻塞状态。

  • 等待：线程主动放弃CPU时间片，等待其他线程通知。线程可以通过调用Object.wait()方法进入等待状态，而其他线程可以通过Object.notify()或Object.notifyAll()方法唤醒等待的线程。

  • 终止：线程执行完毕或被其他线程终止。线程终止后，其占用的资源会被释放，并且从所有线程中移除。

• 线程优先级：线程优先级决定了线程获得CPU时间片的概率。在Java中，线程优先级分为1（最低）到10（最高）共10个等级，优先级高的线程有更大的机会获得CPU时间片。

• 守护线程：守护线程是服务其他线程的线程，它不会阻塞程序执行。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：线程池是一组线程的集合，用于执行多个任务。线程池的核心参数配置包括核心线程数、最大线程数、存活时间等。当线程池达到最大线程数时，新任务的处理策略可以通过拒绝策略来定义。工作队列类型如LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等，分别适用于不同的并发场景。

同步机制

同步机制是确保线程安全的重要手段，以下是一些常见的同步机制及其技术实现细节：

• 悲观锁/乐观锁：悲观锁假设并发访问会导致冲突，因此采取锁定策略；乐观锁则假设冲突很少发生，采用无锁策略。

  • 悲观锁：如synchronized关键字、ReentrantLock等。在Java中，synchronized关键字可以保证同一时刻只有一个线程可以访问同步代码块或同步方法。

  • 乐观锁：如CAS操作、version字段等。乐观锁通常用于读多写少的场景，通过版本号或时间戳来判断数据是否被其他线程修改。

• 读写锁：读写锁允许多个线程同时读取资源，但只允许一个线程写入资源。

  • ReentrantReadWriteLock是Java中实现读写锁的类。读写锁通过维护读锁和写锁的状态来实现，当没有写锁时，读锁可以被多个线程同时持有。

• 条件变量：条件变量用于线程间的通信。

  • Object.wait()和Object.notify()/Object.notifyAll()是使用条件变量的常用方法。wait()方法可以使线程等待某个条件成立，而notify()或notifyAll()方法可以唤醒等待的线程。

并发集合

并发集合是专为并发环境设计的集合类，以下是一些常用的并发集合及其技术实现细节：

• ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap实现，使用分段锁技术，提高并发性能。

  • ConcurrentHashMap通过将数据分割成多个段（Segment），每个段有自己的锁，从而允许多个线程同时访问不同的段。

• CopyOnWrite容器：在写操作时复制整个容器，读操作则直接操作副本。

  • CopyOnWrite容器适用于读多写少的场景，写操作会复制整个容器，而读操作则直接操作副本，避免了读写冲突。

• BlockingQueue：线程安全的队列实现。

  • 如LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等，它们通过内部锁机制确保线程安全，并提供了丰富的阻塞队列操作。

并发工具类

以下是一些常用的并发工具类及其技术实现细节：

• Phaser：用于协调多个线程的同步。

  • Phaser是一个可重入的同步工具，它允许线程在执行某个操作之前等待其他线程完成。

• Exchanger：用于线程间交换数据。

  • Exchanger允许两个线程在某个点交换数据，这对于需要交换大量数据的场景非常有用。

• FutureTask：用于异步执行任务。

  • FutureTask是一个可以异步执行并返回结果的线程，它允许调用者等待任务完成并获取结果。

非阻塞算法

非阻塞算法是避免使用锁，通过其他机制实现线程安全。

• CAS原理：比较并交换，用于实现无锁操作。

  • CAS操作通过原子指令来比较和交换内存中的数据，从而实现无锁算法。

• Atomic类：提供原子操作的类，如AtomicInteger、AtomicLong等。

  • Atomic类通过内部锁机制确保操作的原子性，从而实现无锁编程。

• 无锁队列：如ConcurrentLinkedQueue。

  • 无锁队列通过CAS操作和链表结构实现线程安全，避免了锁的开销。

并发框架

以下是一些流行的并发框架及其技术实现细节：

• Netty：高性能的NIO框架，用于构建网络应用程序。

  • Netty采用主从多线程模型，主线程负责接收和处理网络连接，从线程负责处理业务逻辑，从而提高并发性能。

• Akka：基于Actor模型的并发框架。

  • Akka使用Actor模型来构建并发应用程序，Actor之间通过消息传递进行通信，从而简化了并发编程。

• Disruptor：高性能的环形缓冲区，用于处理高并发数据流。

  • Disruptor通过环形缓冲区和序列化机制实现高性能的数据流处理，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，它通过映射SQL语句到Java对象，简化了数据库操作。以下是对MyBatis知识体系的详细阐述，并深入探讨其技术实现细节。

SQL映射

• 注解映射：使用注解定义SQL映射关系。

  • MyBatis提供了丰富的注解，如@Select、@Insert、@Update、@Delete等，用于定义SQL映射关系。

• 结果集映射：将SQL查询结果映射到Java对象。

  • MyBatis通过resultType、resultMap等属性将SQL查询结果映射到Java对象，支持复杂的映射关系。

• 关联查询：处理多表关联查询。

  • MyBatis通过@One、@Many等注解处理多表关联查询，支持一对一、一对多等关系。

• 动态SQL：根据条件动态构建SQL语句。

  • MyBatis使用<if>、<choose>、<foreach>等标签动态构建SQL语句，支持复杂的条件判断和循环。

缓存机制

• 一级缓存：SqlSession级别的缓存，用于缓存查询结果。

  • MyBatis一级缓存通过SqlSession对象存储查询结果，当再次查询相同的数据时，可以直接从缓存中获取结果。

• 二级缓存：Mapper级别的缓存，用于缓存Mapper查询结果。

  • MyBatis二级缓存通过Mapper对象存储查询结果，当再次查询相同的数据时，可以直接从缓存中获取结果。

• 自定义缓存：自定义缓存实现，如Ehcache、Redis等。

  • MyBatis支持自定义缓存实现，可以将缓存数据存储在Ehcache、Redis等缓存系统中。

• 代理模式：使用代理模式实现Mapper接口，实现动态代理。

  • MyBatis使用代理模式实现Mapper接口，动态生成代理类，代理类负责执行SQL语句和处理结果。

执行流程

• MapperProxy：MyBatis使用代理模式实现Mapper接口，动态代理执行SQL语句。

  • MyBatis通过动态代理技术生成代理类，代理类负责执行SQL语句和处理结果。

• 动态代理执行流程：代理生成器生成代理类，代理类执行SQL语句，处理结果。

执行器类型

• 执行器类型：如SimpleExecutor、ReuseExecutor、BatchExecutor等。

  • MyBatis提供了多种执行器类型，用于处理不同的数据库操作。

• 延迟加载：在需要时才加载关联数据。

  • MyBatis支持延迟加载，当需要访问关联数据时，才会加载关联数据，减少了数据库访问次数。

扩展机制

• 类型处理器：处理Java类型与数据库类型之间的转换。

  • MyBatis提供了类型处理器，用于处理Java类型与数据库类型之间的转换。

• 拦截器链：拦截执行过程，如执行前、执行后、异常等。

  • MyBatis拦截器链可以拦截执行过程，例如，可以用于执行前进行日志记录、执行后进行数据统计等。

• 方言支持：支持不同的数据库方言。

  • MyBatis支持不同的数据库方言，例如MySQL、Oracle等，可以根据实际数据库选择合适的方言。

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