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）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

1. 线程基础

   • 线程是程序执行流的最小单元，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。在Java中，线程的实现基于操作系统提供的线程管理机制，通过操作系统内核的调度来分配CPU时间片。

   • Java中的线程模型分为用户线程和守护线程。用户线程是应用程序的主要执行单元，负责执行业务逻辑；而守护线程是后台线程，通常用于执行一些不需要用户交互的任务，如垃圾回收器。在Java虚拟机启动时，会创建一个守护线程池，当所有非守护线程结束时，守护线程也会随之结束。

2. 线程生命周期

   • 线程的生命周期包括：新建（New）、就绪（Runnable）、阻塞（Blocked）、等待（Waiting）、超时等待（Timed Waiting）和终止（Terminated）。

   • 线程创建后进入新建状态，此时线程尚未启动。通过调用start()方法，线程进入就绪状态，等待CPU调度执行。就绪状态的线程可能因为竞争CPU资源而进入阻塞状态，如线程在等待某个锁的释放。线程在执行过程中可能因为某些条件而进入等待状态，如调用Object.wait()方法。超时等待是指线程在等待某个条件时设置了一个超时时间，在超时时间内未满足条件，线程将进入就绪状态。当线程执行完毕或被其他线程中断时，进入终止状态。

3. 线程优先级

   • Java线程优先级分为1到10共10个等级，优先级高的线程获得更多的CPU时间片。线程优先级是动态的，可以在运行过程中改变。但是，线程优先级并不能保证线程一定会得到更多的CPU时间，因为线程的执行还受到操作系统调度策略的影响。

4. 守护线程

   • 守护线程是当所有非守护线程执行完毕后，程序才会终止。在Java中，可以通过调用Thread.setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。守护线程通常用于进行后台服务，如垃圾回收器、网络通信等。

5. 线程池

   • 线程池是一种管理线程资源的技术，它允许应用程序重用一组线程来执行多个任务。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、工作队列、拒绝策略等。

   • 核心线程数是指线程池中始终存在的线程数量，即使没有任务执行，这些线程也会一直运行。最大线程数是指线程池能够创建的最大线程数量，当工作队列已满且核心线程数达到上限时，线程池会创建新的线程来处理任务。

   • 存活时间是指线程空闲时等待被回收的时间，超过存活时间的线程将被回收。工作队列用于存放等待执行的任务，常见的队列有LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等。

   • 拒绝策略有：AbortPolicy（抛出异常）、CallerRunsPolicy（调用者运行）、DiscardPolicy（丢弃）、DiscardOldestPolicy（丢弃最旧的）。当工作队列已满且达到最大线程数时，拒绝策略将决定如何处理新到达的任务。

6. 同步机制

   • 同步机制保证在多线程环境下，对共享资源进行访问时不会发生冲突。常见的同步机制有：互斥锁（Mutex）、读写锁（ReadWriteLock）、条件变量（Condition）、信号量（Semaphore）等。

   • 互斥锁是一种最简单的同步机制，它确保在同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但写入操作需要独占访问。

   • 条件变量允许线程在满足特定条件时进行等待，直到条件成立时被唤醒。信号量是一种更通用的同步机制，它可以限制对共享资源的访问数量。

7. 并发集合

   • 并发集合是Java提供的一组线程安全的数据结构，包括ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等。

   • ConcurrentHashMap采用分段锁技术，将数据分成多个段，每个段由一个锁来保护，从而实现并发访问。CopyOnWriteArrayList在每次修改操作时都会创建一个新的数组，从而保证线程安全。

8. 并发工具类

   • Phaser、Exchanger、FutureTask等并发工具类为并发编程提供了便利。

   • Phaser是一种用于线程同步的工具类，它允许线程按照指定的顺序执行。Exchanger允许两个线程交换数据。FutureTask是一个表示异步计算结果的类，它可以在计算完成后获取结果。

9. 非阻塞算法

   • CAS（Compare and Swap）原理：非阻塞算法的基础，用于实现原子操作。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，则将内存位置的值更新为新值。

   • Atomic类：Java提供的原子操作类，如AtomicInteger、AtomicLong等。这些类提供了原子操作的方法，如getAndIncrement()、compareAndSet()等。

   • 无锁队列：如ConcurrentLinkedQueue等，基于CAS原理实现。无锁队列通过CAS操作保证线程安全，避免了锁的开销。

10. 并发框架

    • Netty线程模型：采用主从多线程模型，一个主线程负责接收请求，多个从线程处理请求。主线程使用Selector来监听多个通道的事件，从线程负责处理通道上的数据。

    • Akka Actor模型：基于actor模型实现，每个actor独立运行，异步通信。actor之间通过消息传递进行通信，从而实现并发处理。

    • Disruptor环形缓冲区：基于环形缓冲区实现的高效并发框架。Disruptor通过环形缓冲区和CAS操作实现高效的并发处理，避免了锁的开销。

二、MyBatis知识体系

1. SQL映射

   • MyBatis通过XML或注解的方式将SQL映射到Java对象。在XML映射文件中，可以使用 标签定义SQL查询结果与Java对象的映射关系。在注解映射中，可以使用@Results、@Result等注解来定义映射关系。

2. 注解映射

   • MyBatis提供的注解，如@Select、@Insert、@Update、@Delete等，用于简化SQL映射。通过在Mapper接口的方法上添加这些注解，可以自动生成对应的SQL语句。

3. 结果集映射

   • MyBatis将SQL查询结果映射到Java对象。在XML映射文件中，可以使用 标签定义SQL查询结果与Java对象的映射关系。在注解映射中，可以使用@Results、@Result等注解来定义映射关系。

4. 关联查询

   • MyBatis支持关联查询，通过嵌套结果集（Nested Result）或联合查询（Fetch）实现。嵌套结果集将关联查询的结果存储在父对象的属性中，而联合查询则将关联查询的结果存储在单独的对象中。

5. 动态SQL

   • MyBatis支持动态SQL，通过 、 、 、 等标签实现。这些标签可以根据条件动态生成SQL语句，从而实现复杂的SQL操作。

6. OGNL表达式

   • OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，用于在MyBatis中访问对象属性。OGNL表达式可以访问对象的属性、方法、集合等，从而实现动态的SQL映射。

7. 分支语句

   • MyBatis支持分支语句，用于实现多条件查询。通过使用 、 、 等标签，可以根据不同的条件执行不同的SQL语句。

8. 批量操作

   • MyBatis支持批量操作，提高数据库执行效率。批量操作可以将多个SQL语句合并为一个，从而减少数据库的访问次数。

9. 缓存机制

   • MyBatis提供一级缓存和二级缓存机制，提高查询性能。一级缓存是SqlSession级别的缓存，二级缓存是Mapper级别的缓存。

   • 自定义缓存：通过实现Cache接口自定义缓存策略。自定义缓存可以支持多种缓存技术，如Redis、Memcached等。

   • 代理模式：MyBatis使用代理模式实现Mapper接口。代理模式可以拦截Mapper接口的方法调用，从而实现缓存、日志等功能。

10. MapperProxy插件

    • MapperProxy是MyBatis的插件，用于拦截动态代理执行流程。通过实现Interceptor接口，可以自定义插件的功能，如缓存、日志等。

11. SqlSession生命周期

    • SqlSession是MyBatis的核心对象，负责执行数据库操作。SqlSession生命周期包括：创建、使用、提交/回滚、关闭。

    • 创建SqlSession时，MyBatis会初始化数据库连接、事务等资源。使用SqlSession执行数据库操作，提交/回滚事务，最后关闭SqlSession释放资源。

12. 执行器类型

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

    • SimpleExecutor是单线程执行器，每个SQL语句执行完毕后关闭数据库连接。BatchExecutor支持批量操作，将多个SQL语句合并为一个批量执行。ReuseExecutor复用数据库连接，提高数据库连接的利用率。

13. 延迟加载

    • MyBatis支持延迟加载，提高查询性能。延迟加载是指在查询对象时，将其关联的子对象延迟加载，直到需要访问子对象时才进行加载。

14. 扩展机制

    • MyBatis提供多种扩展机制，如类型处理器、拦截器链、方言支持等。

    • 类型处理器负责将数据库类型转换为Java类型，如将数据库中的int类型转换为Java中的Integer类型。拦截器链允许拦截MyBatis的执行流程，如拦截SQL执行、结果集处理等。方言支持允许自定义数据库方言，如MySQL、Oracle等。

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