并发编程知识精要

📕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

并发编程是计算机科学中的一个核心领域，它专注于如何高效地利用多核处理器和操作系统提供的并行执行能力。以下是对并发编程知识体系的深入解析，包括技术实现细节。

线程基础

线程是并发编程的基本执行单元，它们共享进程的内存空间，但拥有独立的栈空间和程序计数器。线程的独立执行能力使得它们能够并行工作，从而提高程序的执行效率。

• 线程的创建与销毁：在Java中，线程可以通过Thread类或Runnable接口创建。线程的创建涉及分配线程资源，如线程栈和线程的调度信息。线程销毁时，需要释放这些资源，并确保线程的执行状态被正确地清理。
• 线程同步：由于线程共享资源，因此需要同步机制来防止数据竞争和条件竞争。Java提供了synchronized关键字、ReentrantLock、ReadWriteLock等同步工具，以确保线程间的正确交互。

线程生命周期

线程从创建到销毁经历多个状态，每个状态都对应着不同的技术实现。

• 新建（New）：线程对象创建后，处于新建状态，此时线程不可用。
• 就绪（Runnable）：线程获取到CPU时间片，等待被调度执行。
• 运行（Running）：线程正在执行，此时可能因为时间片用尽或其他原因被切换出CPU。
• 阻塞（Blocked）：线程因为等待某些资源（如锁）而无法继续执行。
• 等待（Waiting）：线程主动进入等待状态，直到其他线程通知其继续执行。
• 超时等待（Timed Waiting）：线程在等待一段时间后自动唤醒，类似于等待状态，但具有超时机制。
• 终止（Terminated）：线程执行完毕或被终止，此时线程资源被回收。

线程优先级

线程优先级决定了线程在调度队列中的位置，优先级高的线程更有可能获得CPU时间。

• 优先级调度：操作系统根据线程的优先级分配CPU时间片。Java中的线程优先级分为10个等级，优先级高的线程可以获得更多的CPU时间。

守护线程

守护线程是服务线程，它不干扰主线程的执行。当所有非守护线程结束时，守护线程也会自动结束。

• 守护线程的实现：在Java中，可以通过调用setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。守护线程通常用于执行一些清理工作或执行一些不需要立即完成的任务。

线程池

线程池管理一组线程，它可以提高程序的性能，减少线程创建和销毁的开销。

• 线程池的实现：Java中的ThreadPoolExecutor类提供了线程池的实现。线程池的核心参数包括核心线程数、最大线程数、工作队列和拒绝策略等。
• 线程池的工作流程：当任务提交给线程池时，线程池会根据当前的工作队列和线程数决定如何处理这个任务。如果工作队列已满，且当前线程数未达到最大线程数，则线程池会创建一个新的线程来执行任务。

同步机制

同步机制用于解决多线程之间的数据竞争问题。

• 悲观锁：悲观锁假设数据在访问时会被修改，因此在进行操作前先加锁。Java中的synchronized关键字和ReentrantLock都是悲观锁的实现。
• 乐观锁：乐观锁假设数据在访问时不会被修改，因此在进行操作前不加锁，而是在操作后进行版本检查。Java中的AtomicInteger和AtomicLong等原子类提供了乐观锁的实现。
• 读写锁：读写锁允许多个线程同时读取数据，但只允许一个线程写入数据。Java中的ReadWriteLock类提供了读写锁的实现。

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集合操作。

• 并发集合的实现：Java中的ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList等并发集合类通过分段锁、循环队列等技术实现了线程安全。
• 并发集合的优势：并发集合可以减少线程同步的开销，提高并发性能。

并发工具类

并发工具类提供了一系列用于并发编程的工具，如Phaser、Exchanger、FutureTask等。

• Phaser：Phaser是一个可重用的同步屏障，它可以用于实现复杂的并发控制逻辑。
• Exchanger：Exchanger允许两个线程交换数据，它通常用于生产者-消费者模型。
• FutureTask：FutureTask是Future接口的实现，它代表一个异步计算的结果。

非阻塞算法

非阻塞算法是一种在多线程环境中提高效率的方法，如CAS（Compare-And-Swap）算法。

• 非阻塞算法的实现：非阻塞算法通常依赖于硬件指令和原子操作，如CAS算法。
• 非阻塞算法的优势：非阻塞算法可以减少线程间的锁竞争，提高程序的性能。

无锁队列

无锁队列是一种不使用锁的队列，如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等。

• 无锁队列的实现：无锁队列通常使用循环数组或链表来实现，并利用原子操作来保证线程安全。
• 无锁队列的优势：无锁队列可以减少锁的开销，提高程序的性能。

并发框架

并发框架提供了一套完整的并发编程解决方案，如Netty、Akka、Disruptor等。

• Netty：Netty是一个高性能的NIO客户端服务器框架，它采用主从多线程模型，即一个或多个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。
• Akka：Akka是一个基于Actor模型的并发框架，它提供了一种基于消息传递的并发模型，每个Actor都是一个对象，可以发送和接收消息。
• Disruptor：Disruptor是一个高性能的并发数据结构，它通过环形缓冲区来实现高效的并发访问。

线程模型

Netty的线程模型采用主从多线程模型，即一个或多个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。

• 主从多线程模型的优势：主从多线程模型可以有效地处理大量的并发连接，提高系统的吞吐量。

Actor模型

Akka的Actor模型是一种基于消息传递的并发模型，每个Actor都是一个对象，可以发送和接收消息。

• Actor模型的优势：Actor模型可以简化并发编程的复杂性，提高系统的可伸缩性。

环形缓冲区

Disruptor环形缓冲区是一种高性能的并发数据结构，它通过环形数组来实现高效的并发访问。

• 环形缓冲区的优势：环形缓冲区可以减少内存碎片，提高内存使用效率。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架，它将数据库操作封装成对象，简化了数据库操作。以下是对MyBatis知识体系的深入解析，包括技术实现细节。

SQL映射

SQL映射是指将Java对象与数据库表之间的映射关系定义在XML或注解中。

• XML映射：在MyBatis中，可以使用XML文件来定义SQL映射，包括SQL语句、参数映射和结果映射等。
• 注解映射：MyBatis还支持使用注解来定义SQL映射，这使得代码更加简洁。

注解映射

注解映射是一种将SQL映射关系定义在Java代码中的方式，如@Select、@Insert、@Update、@Delete等。

• 注解映射的优势：注解映射可以减少XML配置，使代码更加简洁。

结果集映射

结果集映射是指将数据库查询结果映射到Java对象中，如@Results、@Result等。

• 结果集映射的实现：MyBatis使用反射和动态代理技术来实现结果集映射。

关联查询

关联查询是指在一个查询中同时获取多个表的数据，如@One、@Many等。

• 关联查询的实现：MyBatis使用延迟加载和嵌套查询来实现关联查询。

动态SQL

动态SQL是指根据条件动态生成SQL语句，如@SelectProvider、@SqlProvider等。

• 动态SQL的实现：MyBatis使用OGNL表达式和XML片段来实现动态SQL。

OGNL表达式

OGNL表达式是一种表达式语言，用于在MyBatis中动态生成SQL语句。

• OGNL表达式的优势：OGNL表达式可以简化SQL语句的编写，提高代码的可读性。

分支语句

分支语句用于在动态SQL中根据条件执行不同的SQL语句。

• 分支语句的实现：MyBatis使用<if>、<choose>等标签来实现分支语句。

批量操作

批量操作是指在一次操作中执行多个数据库操作，如@Options、@BatchSize等。

• 批量操作的优势：批量操作可以减少数据库访问次数，提高性能。

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：一级缓存是会话级别的缓存，它存储了当前会话的查询结果。
• 二级缓存：二级缓存是映射器级别的缓存，它存储了不同会话的查询结果。

自定义缓存

自定义缓存是指通过实现Cache接口来创建自己的缓存机制。

• 自定义缓存的优势：自定义缓存可以满足特定的缓存需求，提高性能。

代理模式

MapperProxy是MyBatis中的一种代理模式，用于动态代理Mapper接口。

• 代理模式的实现：MyBatis使用JDK动态代理或CGLIB来创建Mapper接口的代理对象。

插件拦截

插件拦截是指通过实现Interceptor接口来拦截MyBatis的执行流程。

• 插件拦截的优势：插件拦截可以扩展MyBatis的功能，如日志记录、性能监控等。

动态代理执行流程

动态代理执行流程包括：代理对象创建、代理方法调用、目标对象方法调用、代理方法返回。

• 动态代理执行流程的优势：动态代理可以简化代码，提高开发效率。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的会话对象，它负责数据库连接的管理。SqlSession的生命周期包括：创建、使用、关闭。

• SqlSession生命周期的优势：SqlSession的生命周期管理可以确保数据库连接的安全和有效使用。

执行器类型

MyBatis提供了多种执行器类型，如SimpleExecutor、ReuseExecutor、BatchExecutor等。

• 执行器类型的优势：不同的执行器类型适用于不同的场景，可以根据需求选择合适的执行器。

延迟加载

延迟加载是指在需要时才加载数据，以提高性能。

• 延迟加载的优势：延迟加载可以减少初始加载时间，提高性能。

扩展机制

MyBatis提供了扩展机制，如TypeHandler、Interceptor等。

• 扩展机制的优势：扩展机制可以扩展MyBatis的功能，满足特定的需求。

类型处理器

类型处理器用于将数据库类型转换为Java类型。

• 类型处理器的优势：类型处理器可以简化数据类型转换，提高开发效率。

拦截器链

拦截器链是指拦截器按照顺序执行的链式结构。

• 拦截器链的优势：拦截器链可以扩展MyBatis的功能，如日志记录、性能监控等。

方言支持

方言支持是指根据数据库类型选择不同的SQL语句。

• 方言支持的优势：方言支持可以简化数据库配置，提高开发效率。

总结

并发编程和MyBatis是现代软件开发中不可或缺的知识点。通过深入理解这些技术，我们可以编写出高效、可靠的程序。在实际应用中，我们需要根据具体场景选择合适的并发编程模型和MyBatis功能，以达到最佳性能。

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