并发编程精讲-CSDN博客

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📕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

线程基础

在并发编程中，线程是程序执行的最小单元，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。线程的实现依赖于操作系统提供的线程管理机制。以下是线程的基本特性和实现细节：

独立性：线程可以独立运行，互不干扰，每个线程都有自己的堆栈空间和程序计数器。线程间的独立性使得并发程序可以高效地利用多核处理器，提高程序执行效率。

实现细节：在操作系统层面，线程通过调度器实现，调度器负责在就绪的线程中选择一个线程执行。线程的状态可以通过上下文切换进行切换，以实现线程间的并发执行。
并行性：多个线程可以同时执行，并行执行能够提高程序的执行速度。在多核处理器上，并行性能够得到最大程度的发挥。

实现细节：操作系统通过多线程调度算法实现线程的并行执行，常见的调度算法包括轮转调度、优先级调度、多级反馈队列调度等。
共享性：线程可以共享内存资源，如进程的地址空间、文件句柄、I/O端口等。线程共享资源时需要考虑同步问题，以避免数据竞争和资源死锁。

实现细节：在多线程环境下，共享资源通常需要通过互斥锁（mutex）或读写锁（read-write lock）等同步机制进行保护。

线程生命周期

线程的生命周期包括以下状态，每个状态都对应着特定的操作：

新建（New）：线程创建后处于此状态，此时线程尚未分配资源。

实现细节：在Java中，线程创建可以通过Thread类或实现Runnable接口来实现。
就绪（Runnable）：线程等待CPU调度，此时线程已分配到必要的资源。

实现细节：在操作系统层面，就绪状态的线程等待调度器的选择。
运行（Running）：线程正在执行，此时线程拥有CPU时间片。

实现细节：调度器选择一个线程进行执行，并为其分配CPU时间片。
阻塞（Blocked）：线程等待某个条件成立。

实现细节：线程可能因为等待锁、等待I/O操作等原因进入阻塞状态。
等待（Waiting）：线程等待其他线程调用notify()或notifyAll()。

实现细节：线程可以通过调用Object.wait()方法进入等待状态。
终止（Terminated）：线程执行完毕。

实现细节：线程执行完毕后，其生命周期结束，系统会回收其资源。

线程优先级

线程优先级表示线程执行的机会大小，Java中线程优先级分为以下等级：

MAX_PRIORITY：最高优先级。

实现细节：在Java中，MAX_PRIORITY的值为10。
MIN_PRIORITY：最低优先级。

实现细节：在Java中，MIN_PRIORITY的值为1。
NORM_PRIORITY：默认优先级。

实现细节：在Java中，NORM_PRIORITY的值为5。

守护线程

守护线程是一种特殊的线程，其生命周期依赖于主线程。当主线程结束时，所有守护线程都将被终止。

实现细节：在Java中，可以通过调用Thread.setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。

线程池

线程池是一种管理线程的机制，可以提高程序性能。线程池的核心参数配置包括：

核心线程数：线程池中始终保持的线程数量。

实现细节：在Java中，可以通过ThreadPoolExecutor类创建线程池，并通过corePoolSize参数设置核心线程数。
最大线程数：线程池允许的最大线程数量。

实现细节：在Java中，可以通过ThreadPoolExecutor类创建线程池，并通过maximumPoolSize参数设置最大线程数。
队列类型：工作队列存储等待执行的线程。

实现细节：在Java中，可以通过ThreadPoolExecutor类创建线程池，并通过workQueue参数设置工作队列。
拒绝策略：当线程池达到最大线程数时，如何处理新提交的任务。

实现细节：在Java中，可以通过ThreadPoolExecutor类创建线程池，并通过RejectedExecutionHandler参数设置拒绝策略。

同步机制

同步机制用于解决线程间的竞争条件，常见的同步机制包括：

悲观锁：假设线程在访问共享资源时会发生冲突，因此在访问前先加锁。

实现细节：在Java中，可以使用synchronized关键字或ReentrantLock类实现悲观锁。
乐观锁：假设线程在访问共享资源时不会发生冲突，因此在访问时才加锁。

实现细节：在Java中，可以使用Atomic类或乐观锁算法实现乐观锁。
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。

实现细节：在Java中，可以使用ReentrantReadWriteLock类实现读写锁。
条件变量：线程在等待某个条件成立时，可以使用条件变量进行等待。

实现细节：在Java中，可以使用Condition接口实现条件变量。

并发集合

Java提供了多种并发集合，用于在多线程环境中安全地存储数据。常见的并发集合包括：

ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap。

实现细节：ConcurrentHashMap采用分段锁（Segment Lock）机制，将数据分为多个段，每个段有自己的锁，从而提高并发性能。
CopyOnWrite容器：在修改操作时，先复制原容器，然后修改复制后的容器。

实现细节：CopyOnWrite容器在每次修改操作时都会复制原容器，从而保证数据的一致性。
BlockingQueue：线程安全的队列，支持阻塞操作。

实现细节：BlockingQueue通过内部锁和条件变量实现线程安全，支持生产者-消费者模型。

并发工具类

Java提供了多种并发工具类，用于简化并发编程。常见的并发工具类包括：

Phaser：用于协调多个线程的执行。

实现细节：Phaser是一个共享屏障，线程可以通过屏障进行同步，并在屏障处等待其他线程。
Exchanger：用于在线程间交换数据。

实现细节：Exchanger是一个交换点，两个线程可以通过Exchanger交换数据。
FutureTask：用于异步执行任务。

实现细节：FutureTask是一个可取消的任务，它允许客户端获取异步执行的结果。

非阻塞算法

非阻塞算法利用CAS（Compare-And-Swap）操作，在多线程环境中实现无锁编程。CAS操作包括以下步骤：

比较内存中的值与预期值。
如果相等，则将新值写入内存，并返回true。
如果不相等，则返回false。

实现细节：在Java中，可以使用Atomic类实现CAS操作。

Atomic类

Atomic类提供了一系列原子操作，用于实现无锁编程。常见的Atomic类包括：

AtomicInteger：原子整数。
AtomicLong：原子长整数。
AtomicReference：原子引用。

实现细节：Atomic类基于CAS操作，提供了线程安全的原子操作。

无锁队列

无锁队列是一种基于CAS操作的线程安全队列，可以提高程序性能。

实现细节：无锁队列通过CAS操作实现线程安全，避免了锁的开销。

并发框架

Netty线程模型：Netty采用主从多线程模型，提高网络应用程序的性能。

实现细节：Netty使用主线程负责处理I/O事件，从线程负责业务逻辑处理，从而提高应用程序的性能。
Akka Actor模型：Akka基于Actor模型，实现异步、无锁的并发编程。

实现细节：Akka使用Actor模型实现并发编程，每个Actor是一个消息处理单元，能够异步接收和发送消息。
Disruptor环形缓冲区：Disruptor使用环形缓冲区，提供高性能的并发队列。

实现细节：Disruptor使用环形缓冲区存储数据，并通过CAS操作实现线程安全，从而提高并发队列的性能。

二、MyBatis知识体系

SQL映射

MyBatis通过XML或注解的方式，将Java对象与数据库表进行映射。以下是SQL映射的实现细节：

注解映射：使用@Select、@Insert、@Update、@Delete等注解定义SQL语句。

实现细节：MyBatis使用注解解析器将注解解析为相应的SQL语句。
结果集映射：将查询结果映射到Java对象。

实现细节：MyBatis使用TypeHandler接口将数据库类型转换为Java类型。
关联查询：通过@OneToOne、@OneToMany、@ManyToMany等注解实现关联查询。

实现细节：MyBatis使用嵌套查询或关联表查询实现关联查询。
动态SQL：使用、、等标签实现动态SQL。

实现细节：MyBatis使用动态SQL解析器将动态SQL解析为SQL语句。

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。以下是OGNL表达式的实现细节：

属性访问：obj.name

实现细节：OGNL表达式解析器根据属性名称查找对象的属性值。
方法调用：obj.getName()

实现细节：OGNL表达式解析器根据方法名称查找对象的方法，并执行方法。
条件判断：obj.name ? "name" : "no name"

实现细节：OGNL表达式解析器根据条件判断表达式计算结果，并返回相应的值。

分支语句

MyBatis支持使用、、、等标签实现分支语句。

实现细节：MyBatis使用动态SQL解析器解析分支语句，并根据条件判断结果执行相应的SQL语句。

批量操作

MyBatis支持使用标签实现批量操作。

实现细节：MyBatis使用动态SQL解析器解析批量操作，并将数据集转换为SQL语句。

缓存机制

MyBatis提供了一级缓存和二级缓存机制，用于提高查询性能。

一级缓存：基于SqlSession的缓存，用于存储最近执行的SQL语句及其结果。

实现细节：MyBatis使用HashMap实现一级缓存，每次执行查询操作时，首先从缓存中查找结果，如果没有找到，则执行SQL语句并将结果存入缓存。
二级缓存：基于namespace的缓存，用于存储全局的查询结果。

实现细节：MyBatis使用HashMap实现二级缓存，每次执行查询操作时，首先从缓存中查找结果，如果没有找到，则执行SQL语句并将结果存入缓存。

自定义缓存

MyBatis支持自定义缓存，通过实现Cache接口实现。

实现细节：自定义缓存需要实现Cache接口中的所有方法，如putObject、getObject、removeObject、clear等。

代理模式

MyBatis使用代理模式实现Mapper接口的动态代理。

实现细节：MyBatis使用CGLib或Javassist实现动态代理，为Mapper接口生成代理对象。

MapperProxy

MapperProxy是MyBatis中用于实现Mapper接口动态代理的类。

实现细节：MapperProxy实现了InvocationHandler接口，通过拦截Mapper接口的方法调用，实现动态代理功能。

插件拦截

MyBatis支持插件拦截，通过实现Interceptor接口实现。

实现细节：插件拦截器通过实现Interceptor接口的intercept方法拦截数据库操作，并执行相应的操作。

动态代理执行流程

MyBatis使用动态代理技术，在运行时生成Mapper接口的代理对象。

实现细节：MyBatis使用CGLib或Javassist生成Mapper接口的代理对象，并通过代理对象执行数据库操作。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心对象，用于执行数据库操作。以下是SqlSession生命周期的实现细节：

创建SqlSession：通过SqlSessionFactory创建SqlSession。

实现细节：MyBatis使用SqlSessionFactoryBuilder创建SqlSessionFactory，并通过SqlSessionFactory创建SqlSession。
执行数据库操作：使用SqlSession执行数据库操作。

实现细节：MyBatis使用Executor执行数据库操作，Executor根据SQL语句类型和查询结果类型执行相应的操作。
关闭SqlSession：关闭SqlSession，释放资源。

实现细节：关闭SqlSession时，MyBatis会释放数据库连接、关闭事务等资源。

执行器类型

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

实现细节：执行器类型决定了MyBatis如何执行SQL语句和事务管理。

延迟加载

MyBatis支持延迟加载，在查询关联对象时，只有当真正需要使用该对象时，才进行加载。

实现细节：MyBatis使用动态代理和懒加载策略实现延迟加载。

扩展机制

MyBatis提供了一系列扩展机制，包括插件、拦截器、类型处理器等。

实现细节：MyBatis通过接口和注解实现扩展机制，方便用户自定义功能。

类型处理器

MyBatis使用类型处理器将Java类型与数据库类型进行转换。

实现细节：MyBatis使用TypeHandler接口实现类型转换。

拦截器链

MyBatis使用拦截器链对数据库操作进行拦截。

实现细节：MyBatis使用拦截器链对数据库操作进行拦截，每个拦截器都有机会对数据库操作进行干预。

方言支持

MyBatis支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle、SQL Server等。

实现细节：MyBatis通过方言接口实现方言支持，方便用户使用不同数据库的特定语法。

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