并发编程核心技术解析

📕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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

一、并发编程知识体系解析

并发编程作为计算机科学的核心领域，其核心在于如何高效、安全地管理多个线程或进程。以下是对并发编程知识体系的详细解析，并补充其技术实现细节。

线程基础

线程是程序执行的最小单元，它允许操作系统在单个程序中同时执行多个任务。线程的实现依赖于操作系统的调度机制。

• 线程定义：在操作系统中，线程由线程控制块（Thread Control Block，TCB）组成，包含了线程的寄存器、状态、优先级等信息。
• 线程状态：线程状态包括创建、就绪、运行、阻塞、终止等。状态之间的转换依赖于线程的执行过程和操作系统调度。
• 线程属性：线程属性包括优先级、线程组、守护线程等。线程优先级决定了线程在获得CPU时间片时的优先级，线程组将多个线程组织在一起，守护线程则服务于其他线程。

线程生命周期

线程的生命周期是线程从创建到销毁的过程，主要包括以下阶段：

• 新建状态：通过new Thread()创建线程后，线程进入新建状态，此时线程尚未启动。
• 就绪状态：线程创建后，调用start()方法进入就绪状态，此时线程等待CPU时间片。
• 运行状态：就绪状态的线程获得CPU时间片后进入运行状态，开始执行任务。
• 阻塞状态：线程在等待某些资源（如锁）或事件时进入阻塞状态，此时线程无法继续执行。
• 终止状态：线程执行完毕或被强制终止，进入终止状态，此时线程无法再次启动。

线程同步机制

线程同步机制用于保证多个线程在访问共享资源时不会产生冲突，常见的同步机制包括：

• 互斥锁（Mutex）：互斥锁保证在同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。
• 读写锁（Read-Write Lock）：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。
• 信号量（Semaphore）：信号量是一种限制资源访问的机制，它允许一定数量的线程同时访问资源。
• 条件变量（Condition Variable）：条件变量允许线程在满足某个条件之前等待，直到条件成立。

线程池与核心参数配置

线程池是一种管理线程的机制，它可以提高程序的性能，减少线程创建和销毁的开销。

• 核心线程数：线程池维护的最少线程数，用于处理持续任务。
• 最大线程数：线程池能够维护的最大线程数，当任务数量超过最大线程数时，新任务将进入等待队列。
• 存活时间：线程池中空闲线程的存活时间，超过存活时间的空闲线程将被回收。
• 队列类型：工作队列类型，如LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等，影响线程池的性能。

拒绝策略与工作队列类型

当线程池达到最大线程数且队列已满时，需要处理新任务，常见的拒绝策略包括：

• CallerRunsPolicy：由调用者线程处理该任务。
• AbortPolicy：抛出RejectedExecutionException异常。
• DiscardPolicy：丢弃该任务。
• DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最早的未处理任务。

同步机制

同步机制用于保证线程安全，常见的同步机制包括：

• 悲观锁：假设冲突将发生，因此对资源进行加锁，如synchronized关键字。
• 乐观锁：假设冲突不会发生，只在更新时检查资源是否被修改，如使用版本号或时间戳。
• 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，如ReentrantReadWriteLock。

条件变量

条件变量用于线程间的协作，它允许一个或多个线程等待某个条件成立。

• await()：线程进入等待状态，直到条件成立。
• signal()：唤醒一个等待的线程。
• signalAll()：唤醒所有等待的线程。

并发集合

并发集合是为并发环境设计的集合类，如ConcurrentHashMap，它提供了线程安全的集合操作。

• 分段锁（Segment Lock）：将数据分为多个段，每个段有自己的锁，从而提高并发性能。
• CAS操作（Compare-And-Swap）：通过原子操作实现无锁编程。

Concurrent工具类

Concurrent工具类提供了一系列线程安全的工具类，如Phaser、Exchanger、FutureTask等。

• Phaser：用于协调一组线程的执行，如线程间的同步。
• Exchanger：用于在线程间交换数据，如线程间的数据交换。
• FutureTask：代表异步计算的结果，如线程池中的任务结果。

非阻塞算法与CAS原理

非阻塞算法通过原子操作实现，不需要锁。

• CAS操作：比较并交换，用于实现无锁编程。
• ABA问题：CAS操作中的一个常见问题，需要使用版本号或时间戳解决。

Atomic类与无锁队列

Atomic类提供原子操作的工具类，如AtomicInteger。

• AtomicInteger：提供原子操作，如原子增加、原子减少。
• ConcurrentLinkedQueue：基于CAS操作实现的无锁队列。

并发框架

并发框架提供了一系列并发编程的解决方案，如Netty、Akka、Disruptor等。

• Netty：高性能的异步事件驱动的网络应用框架，基于NIO技术。
• Akka：基于Actor模型的并发框架，Actor模型是一种基于消息传递的并发模型。
• Disruptor：高性能的并发队列实现，基于环形缓冲区。

线程模型与Actor模型

线程模型和Actor模型是两种常见的并发编程模型。

• 线程模型：基于线程的并发编程模型，如Netty的主从多线程模型。
• Actor模型：基于消息传递的并发模型，如Akka的Actor模型。

环形缓冲区

环形缓冲区是一种高效的并发数据结构，常用于实现并发队列。

• 环形缓冲区：使用数组实现，通过循环队列的方式存储数据，提高并发性能。

二、MyBatis知识体系详解

MyBatis是一个优秀的持久层框架，它消除了几乎所有的JDBC代码和手动设置参数以及获取结果集的工作。

SQL映射

SQL映射是MyBatis的核心，它将Java对象与SQL语句关联起来。

• 映射文件：MyBatis使用XML文件定义SQL映射，将Java对象与SQL语句关联起来。
• 注解映射：MyBatis也支持使用注解来映射SQL语句，提高代码的可读性和可维护性。

注解映射

MyBatis支持使用注解来映射SQL语句，这使得代码更加简洁。

• @Select、@Insert、@Update、@Delete：分别对应查询、插入、更新、删除操作。
• @Results、@Result：用于定义结果集映射，将数据库中的数据映射到Java对象中。

结果集映射

结果集映射将数据库中的数据映射到Java对象中。

• 自动映射：MyBatis可以根据Java对象的属性名和数据库列名自动进行映射。
• 手动映射：MyBatis允许手动定义映射关系，提高映射的灵活性。

关联查询

关联查询用于处理多表之间的关系，MyBatis提供了多种方式来实现关联查询。

• 一对一：使用<resultMap>元素定义关联关系，如<association>。
• 一对多：使用<collection>元素定义关联关系，如<collection>。
• 多对多：使用中间表来实现多对多关系。

动态SQL

动态SQL允许根据不同的条件动态生成SQL语句。

• ` ：根据条件判断是否执行SQL片段。
• ` ：根据条件选择执行不同的SQL片段。
• ` ：循环遍历集合，生成循环SQL片段。

OGNL表达式与分支语句

OGNL表达式用于在MyBatis中处理表达式，分支语句用于根据条件执行不同的SQL片段。

• OGNL表达式：用于在MyBatis中处理表达式，如获取对象属性、执行算术运算等。
• 分支语句：根据条件执行不同的SQL片段，如<if>、<choose>。

批量操作

MyBatis支持批量操作，可以同时执行多个SQL语句。

• ` ：循环遍历集合，生成循环SQL片段，支持批量插入、批量更新等操作。

缓存机制

MyBatis提供了两种缓存机制：一级缓存和二级缓存。

• 一级缓存：会话级别的缓存，同一个会话中的查询结果会被缓存。
• 二级缓存：全局级别的缓存，多个会话之间的查询结果会被缓存。

自定义缓存与代理模式

自定义缓存允许用户自定义缓存实现，代理模式用于实现缓存功能。

• 自定义缓存：MyBatis允许用户自定义缓存实现，如使用Redis、Memcached等缓存技术。
• 代理模式：MyBatis使用代理模式实现缓存功能，拦截SQL执行过程。

MapperProxy与插件

• MapperProxy：MyBatis的代理模式实现，用于动态代理Mapper接口。
• 插件：MyBatis允许用户编写插件来拦截SQL执行过程。

动态代理执行流程

动态代理执行流程包括代理对象创建、方法调用、代理拦截器执行等。

• 代理对象创建：使用CGLIB或JDK动态代理技术创建代理对象。
• 方法调用：代理对象接收到方法调用后，将调用转发到目标对象。
• 代理拦截器执行：MyBatis拦截SQL执行过程，如执行缓存操作、参数处理等。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心接口，它管理着数据库连接和事务。

• SqlSession创建：通过SqlSessionFactory.openSession()创建SqlSession。
• SqlSession使用：使用SqlSession执行数据库操作，如查询、更新等。
• SqlSession关闭：关闭SqlSession，释放数据库连接和事务。

执行器类型

MyBatis提供了多种执行器类型，如SimpleExecutor和BatchExecutor。

• SimpleExecutor：执行单个SQL语句，不支持批量操作。
• BatchExecutor：支持批量操作，将多个SQL语句合并成一个批处理执行。

延迟加载与扩展机制

延迟加载允许在需要时才加载关联数据，扩展机制允许用户自定义MyBatis的行为。

• 延迟加载：在查询主表数据时，延迟加载关联数据，提高查询性能。
• 扩展机制：MyBatis允许用户自定义扩展，如自定义类型处理器、自定义拦截器等。

类型处理器与拦截器链

• 类型处理器：MyBatis用于将Java类型转换为数据库类型。
• 拦截器链：MyBatis允许用户自定义拦截器来拦截SQL执行过程。

方言支持

MyBatis支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle等。

• 数据库方言：MyBatis使用数据库方言来支持不同的数据库，如MySQL方言、Oracle方言等。

通过以上对并发编程和MyBatis知识体系的详细解析，我们可以更好地理解和应用这些技术，提高系统的性能和可靠性。在实际应用中，我们需要根据具体场景选择合适的技术方案，并结合实际情况进行优化。

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