并发编程核心知识

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📘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

并发编程是现代计算机系统中的一个核心概念，它允许计算机在同一个时间段内处理多个任务，从而提高系统性能。以下是并发编程的一些基础知识点及其技术实现细节：

1. 线程基础

线程是程序执行的基本单元，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程具有以下特点：

• 独立的栈空间和局部变量：每个线程都有自己的栈空间，用于存储局部变量和函数调用信息，这有助于避免线程间的数据干扰。
• 线程之间可以共享数据：线程共享进程的地址空间，包括全局变量、堆内存等，但需要注意同步机制，以避免数据竞争。
• 线程的调度由操作系统管理：操作系统负责线程的创建、销毁、切换和调度，线程调度策略包括时间片轮转、优先级调度等。

2. 线程生命周期

线程的生命周期分为以下几个阶段：

• 新建（New）：创建线程对象时，线程进入新建状态。此时线程尚未分配资源，无法运行。
• 就绪（Runnable）：线程创建成功后，进入就绪状态，等待CPU时间。此时线程已分配资源，可被操作系统调度执行。
• 运行（Running）：线程获得CPU时间，开始执行。线程执行过程中，可能会因为时间片耗尽、等待资源等原因被切换出运行状态。
• 阻塞（Blocked）：线程在等待某个资源或等待其他线程释放锁时进入阻塞状态。线程在阻塞状态时，无法执行指令。
• 死亡（Terminated）：线程执行完毕或被其他线程终止时进入死亡状态。此时线程资源被回收，无法再被调度执行。

3. 线程优先级

线程优先级决定了线程在调度时的优先级顺序。Java中，线程优先级分为以下等级：

• MAX_PRIORITY：最高优先级（10）：线程优先级最高，优先获得CPU时间。
• MIN_PRIORITY：最低优先级（1）：线程优先级最低，优先级较低。
• NORM_PRIORITY：默认优先级（5）：线程优先级中等。

线程优先级设置需要谨慎，过高或过低的优先级都可能影响系统性能。

4. 守护线程

守护线程是服务于其他线程的线程，当其他线程结束时，守护线程也会随之结束。Java虚拟机在退出时，如果没有非守护线程正在运行，那么所有守护线程也会随之退出。

守护线程通常用于执行一些不需要用户交互的辅助任务，例如垃圾回收、日志记录等。

5. 线程池

线程池是一组预先创建的线程，可以复用线程来执行任务。线程池有以下优势：

• 减少线程创建和销毁的开销：线程池中的线程可以重复使用，避免了频繁创建和销毁线程的开销。
• 提高系统资源利用率：线程池中的线程可以共享进程资源，提高系统资源利用率。
• 避免资源竞争：线程池可以限制线程数量，避免资源竞争。

线程池的核心参数配置如下：

• 核心线程数：线程池中最小的线程数，用于处理任务高峰期。
• 最大线程数：线程池中最大的线程数，用于处理任务高峰期。
• 队列容量：工作队列的容量，用于存放等待执行的任务。
• 拒绝策略：当任务过多，无法被线程池处理时的策略。

6. 拒绝策略

拒绝策略用于处理当任务过多，无法被线程池处理时的策略。常见的拒绝策略有：

• AbortPolicy：丢弃任务并抛出异常：当任务无法被处理时，抛出异常，由调用者处理。
• CallerRunsPolicy：由调用者线程执行任务：当任务无法被处理时，由调用者线程执行任务。
• DiscardPolicy：丢弃任务，不抛出异常：当任务无法被处理时，直接丢弃任务。
• DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最早的未执行任务：当任务无法被处理时，丢弃队列中最早的未执行任务。

7. 工作队列类型

线程池的工作队列有以下类型：

• 阻塞队列（BlockingQueue）：线程池中的任务存储在阻塞队列中，当线程池中的线程空闲时，会从队列中获取任务执行。
• 优先队列（PriorityBlockingQueue）：线程池中的任务按照优先级排序，优先级高的任务先执行。
• 单向队列（LinkedBlockingQueue）：线程池中的任务按照先进先出（FIFO）的顺序执行。
• 双向队列（ArrayBlockingQueue）：线程池中的任务按照先进先出（FIFO）的顺序执行，支持指定队列容量。

8. 同步机制

同步机制用于保证多个线程对共享资源的一致性访问。常见的同步机制有：

• 锁（Lock）：锁是一种同步机制，用于保证多个线程对共享资源的互斥访问。常见的锁有互斥锁、读写锁等。
• 信号量（Semaphore）：信号量是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问次数。信号量可以用于实现互斥、同步等。
• 互斥锁（Mutex）：互斥锁是一种同步机制，用于保证多个线程对共享资源的互斥访问。互斥锁通常与条件变量配合使用。
• 条件变量（Condition）：条件变量是一种同步机制，用于在线程间传递条件信息。线程可以在满足条件时进行等待，直到条件成立再继续执行。

9. 悲观锁/乐观锁

悲观锁假设在访问共享资源时，其他线程会进行修改，因此在访问共享资源时需要加锁。常见的悲观锁有：

• 乐观锁：在更新共享资源前，判断资源是否被修改过。如果资源未被修改，则进行更新；如果资源已被修改，则放弃更新。
• 悲观锁：在更新共享资源时，使用锁来保证资源的一致性。悲观锁通常与互斥锁配合使用。

10. 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。常见的读写锁有：

• ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock是一种可重入的读写锁，允许多个线程同时读取共享资源，但写入时需要独占锁。
• ReadWriteLock：ReadWriteLock是一个读写锁的接口，提供了获取读锁、获取写锁、释放锁等方法。

11. 条件变量

条件变量用于在线程间传递条件信息。线程可以在满足条件时进行等待，直到条件成立再继续执行。条件变量通常与互斥锁配合使用。

12. 并发集合

并发集合是专门为并发场景设计的集合类，例如：

• ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap是Java提供的一个线程安全的哈希表，它采用分段锁机制来提高并发性能。
• CopyOnWriteArrayList：CopyOnWriteArrayList是一种读写分离的并发容器，它采用复制副本的方式来实现线程安全。

13. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java提供的一个线程安全的哈希表，它采用分段锁机制来提高并发性能。ConcurrentHashMap将数据分为多个段，每个段有自己的锁，线程访问不同段的数据时可以并行进行，从而提高并发性能。

14. CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器是一种读写分离的并发容器，它采用复制副本的方式来实现线程安全。当有线程进行写操作时，CopyOnWrite容器会创建一个新的副本，并在副本上进行修改，修改完成后，将原副本替换为新的副本。这种方式避免了读写操作之间的竞争，提高了并发性能。

15. BlockingQueue

BlockingQueue是Java提供的一个线程安全的队列，它支持阻塞式操作。当线程尝试向队列中添加元素时，如果队列已满，则线程会等待直到队列有空间；当线程尝试从队列中获取元素时，如果队列为空，则线程会等待直到队列有元素。

16. 并发工具类

并发工具类包括：

• Phaser：Phaser是一种用于控制多个线程执行顺序的工具类，它允许线程在执行过程中进行等待和通知。
• Exchanger：Exchanger是一种用于在线程间交换数据的工具类，它允许两个线程在某个时刻交换数据。
• FutureTask：FutureTask是一种用于异步执行任务的工具类，它允许线程在执行任务时进行等待和获取结果。

17. 非阻塞算法

非阻塞算法是指在执行过程中不会阻塞其他线程的算法，例如：

• CAS（Compare and Swap）算法：CAS算法是一种无锁并发控制算法，它通过比较和交换操作来实现线程之间的数据同步。
• Atomic类：Atomic类提供了一系列线程安全的原子操作，例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。
• 无锁队列：无锁队列是一种线程安全的队列，它采用CAS算法来实现线程安全。

18. CAS原理

CAS算法是一种无锁并发控制算法，它通过比较和交换操作来实现线程之间的数据同步。CAS算法包含三个操作数：内存位置V、预期值A和新值B。当内存位置V的值与预期值A相等时，将内存位置V的值修改为新值B，否则不做任何操作。

19. Atomic类

Atomic类提供了一系列线程安全的原子操作，例如：

• AtomicInteger：AtomicInteger是一种线程安全的整型变量，它提供了原子操作方法，例如getAndIncrement、compareAndSet等。
• AtomicLong：AtomicLong是一种线程安全的长整型变量，它提供了原子操作方法，例如getAndAdd、compareAndSet等。
• AtomicReference：AtomicReference是一种线程安全的引用变量，它提供了原子操作方法，例如getAndSet、compareAndSet等。

20. 无锁队列

无锁队列是一种线程安全的队列，它采用CAS算法来实现线程安全。无锁队列中的元素存储在数组中，线程在添加或删除元素时，会使用CAS算法来保证操作的原子性。

21. 并发框架

并发框架包括：

• Netty：Netty是一个基于NIO的异步事件驱动的网络框架，它提供了高性能、可扩展的网络通信解决方案。
• Akka：Akka是一个用于构建高并发、分布式和容错应用程序的框架，它基于actor模型，提供了强大的并发编程能力。
• Disruptor：Disruptor是一个高性能的环形缓冲区框架，它采用无锁设计，提供了高性能的并发编程解决方案。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个流行的持久层框架，它可以将SQL映射成Java代码，简化了数据库操作。以下是MyBatis的一些基础知识点及其技术实现细节：

1. SQL映射

SQL映射是将数据库表中的字段与Java对象的属性进行映射的过程。MyBatis支持以下SQL映射方式：

• XML映射：通过XML文件定义SQL映射，将SQL语句与Java对象进行映射。
• 注解映射：通过在Java接口或实体类上使用注解来实现SQL映射。

2. 注解映射

注解映射是通过在Java接口或实体类上使用注解来实现SQL映射。常见的注解有：

• @Select：用于定义查询SQL语句。
• @Insert：用于定义插入SQL语句。
• @Update：用于定义更新SQL语句。
• @Delete：用于定义删除SQL语句。
• @Result：用于定义结果集映射。
• @Results：用于定义多个结果集映射。
• @One：用于定义一对一关系。
• @Many：用于定义一对多关系。

3. 结果集映射

结果集映射是将数据库查询结果映射到Java对象的过程。MyBatis支持以下结果集映射方式：

• 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对象中的数据类型。
• 结果集映射配置：通过XML或注解配置结果集映射，将数据库字段与Java对象的属性进行映射。

4. 关联查询

关联查询用于查询多表之间的关系，例如：

• 一对一：通过@One注解定义一对一关系，MyBatis会自动执行关联查询。
• 一对多：通过@Many注解定义一对多关系，MyBatis会自动执行关联查询。
• 多对多：通过@Many注解定义多对多关系，MyBatis会自动执行关联查询。

5. 动态SQL

动态SQL允许根据不同的条件动态生成SQL语句。MyBatis支持以下动态SQL方式：

• OGNL表达式：OGNL表达式用于动态生成SQL语句，例如根据条件动态拼接SQL片段。
• 分支语句：分支语句用于根据条件动态选择不同的SQL语句。
• 批量操作：批量操作用于同时执行多个SQL语句，提高数据库操作效率。

6. 缓存机制

MyBatis提供了两种缓存机制：

• 一级缓存：本地缓存，每个线程拥有独立的缓存区域。一级缓存的作用是减少数据库访问次数，提高查询效率。
• 二级缓存：全局缓存，所有线程共享同一个缓存区域。二级缓存的作用是跨线程共享数据，提高查询效率。

7. 自定义缓存

自定义缓存允许开发者自定义缓存策略。在MyBatis中，可以通过实现Cache接口来实现自定义缓存。自定义缓存可以用于实现更复杂的缓存策略，例如缓存数据过期、缓存数据淘汰等。

8. 代理模式

MyBatis使用代理模式来实现延迟加载和动态代理。通过代理模式，可以在不修改原始对象的情况下，动态添加或修改对象的行为。

9. MapperProxy

MapperProxy是MyBatis中用于实现动态代理的类。MapperProxy负责拦截对Mapper接口的调用，并将调用转换为对应的SQL语句执行。

10. 插件拦截

MyBatis允许通过插件来拦截SQL执行过程。常见的插件有：

• Executor插件：拦截SQL执行过程，例如执行SQL前、执行SQL后等。
• ResultHandler插件：拦截结果集处理过程，例如结果集转换、结果集映射等。

11. 动态代理执行流程

动态代理的执行流程如下：

• 创建动态代理对象：通过Proxy类创建动态代理对象，代理对象实现了Mapper接口。
• 调用代理对象的方法：调用代理对象的方法时，会触发代理模式的拦截器链。
• 拦截器链调用：拦截器链按照定义的顺序执行，拦截器可以修改方法调用、执行额外操作等。
• 执行原始方法：拦截器链执行完成后，执行原始方法，即执行对应的SQL语句。
• 返回结果：将执行结果返回给调用者。

12. SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis中用于操作数据库的接口，它具有以下生命周期：

• 创建SqlSession对象：通过SqlSessionFactory创建SqlSession对象，用于执行数据库操作。
• 使用SqlSession对象执行数据库操作：通过SqlSession对象执行数据库操作，例如查询、插入、更新、删除等。
• 关闭SqlSession对象：关闭SqlSession对象，释放数据库连接资源。

13. 执行器类型

MyBatis提供了以下执行器类型：

• SimpleExecutor：简单执行器，直接执行SQL语句。SimpleExecutor适用于简单场景，性能较低。
• ReuseExecutor：重用预处理语句执行器，提高SQL执行效率。ReuseExecutor通过重用预处理语句来提高SQL执行效率。
• BatchExecutor：批量执行器，将多个SQL语句合并为一个批量执行。BatchExecutor适用于批量操作，提高数据库操作效率。

14. 延迟加载

延迟加载是指在需要时才加载数据的策略，可以提高应用程序的响应速度。延迟加载可以减少初始加载时间，提高应用程序的性能。

15. 扩展机制

MyBatis提供了以下扩展机制：

• 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对象中的数据类型。
• 拦截器链：拦截器链用于拦截SQL执行过程，例如执行SQL前、执行SQL后等。
• 方言支持：方言支持是指MyBatis支持不同数据库的SQL语法，例如MySQL方言、Oracle方言、SQL Server方言等。

16. 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对象中的数据类型。类型处理器可以通过实现TypeHandler接口来实现。

17. 拦截器链

拦截器链用于拦截SQL执行过程，例如：

• SQL执行拦截：拦截器可以修改SQL语句、执行额外操作等。
• 结果集处理拦截：拦截器可以修改结果集、执行额外操作等。

18. 方言支持

方言支持是指MyBatis支持不同数据库的SQL语法，例如：

• MySQL方言：支持MySQL数据库的SQL语法。
• Oracle方言：支持Oracle数据库的SQL语法。
• SQL Server方言：支持SQL Server数据库的SQL语法。

通过以上知识点，我们可以了解到并发编程和MyBatis的相关概念和技术。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配置，以提高应用程序的性能和可维护性。

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