并发编程核心技术

📕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。

📙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。

💡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】

线程基础

在并发编程领域，线程作为程序执行的最小单位，承载着程序执行的细微粒度。深入理解线程的基础知识，是深入并发编程的基石。

线程生命周期

线程的生命周期涵盖了从创建到终止的整个过程，其状态转换包括以下五个阶段：

• 新建（New）：线程对象被创建后，处于初始状态，此时线程无法运行。
• 可运行（Runnable）：线程准备好执行，但由于线程调度或其他原因，可能暂时无法运行。
• 阻塞（Blocked）：线程因等待某些资源（如锁）而无法继续执行。
• 等待（Waiting）：线程在等待某个条件成立，例如等待某个对象的通知。
• 终止（Terminated）：线程执行结束，释放所占用的资源。

线程的生命周期状态转换如图所示：

          +------------------+
          | 新建（New）       |
          +--------+--------+
                    |
                    v
          +--------+--------+
          | 可运行（Runnable）|
          +--------+--------+
                    |
                    v
          +--------+--------+
          | 阻塞（Blocked） |
          +--------+--------+
                    |
                    v
          +--------+--------+
          | 等待（Waiting） |
          +--------+--------+
                    |
                    v
          +--------+--------+
          | 终止（Terminated）|
          +------------------+

线程优先级

线程优先级决定了线程在可运行状态下的调度顺序。在Java中，线程优先级分为1到10级，10为最高。线程优先级越高，获得CPU执行时间的机会越大。然而，线程优先级并非绝对，系统调度器会综合考虑线程优先级、线程等待时间等因素进行调度。

守护线程

守护线程是一种在后台运行的线程，它不会阻塞应用程序的终止。当所有非守护线程结束时，JVM将退出。守护线程通常用于执行一些辅助性工作，如垃圾回收、日志记录等。

线程池

线程池是管理一组线程的集合，用于执行多个任务。线程池可以减少创建和销毁线程的开销，提高程序的性能。线程池的核心参数配置如下：

• 核心线程数：线程池中的核心线程数，即使空闲，这些线程也会一直存在。
• 最大线程数：线程池可以创建的最大线程数。
• 队列容量：任务队列的容量，超过队列容量的任务将被拒绝。
• 活跃时间：线程在空闲状态下存活的时间，超过活跃时间的线程将被回收。

线程池的工作队列有以下几种类型：

• 阻塞队列：任务被提交到队列中，线程池从队列中获取任务执行。
• 直接提交队列：任务直接提交给线程池，不进行队列管理。
• 有界队列：任务被提交到有界队列中，超过队列容量的任务将被拒绝。
• 优先级队列：根据任务优先级进行调度。

拒绝策略

当线程池无法执行更多任务时，拒绝策略决定了如何处理新提交的任务。常见的拒绝策略包括：

• 抛出异常：拒绝任务并抛出RejectedExecutionException异常。
• 调用Thread.currentThread().interrupt()：拒绝任务并中断当前线程。
• 静默丢弃：直接丢弃任务，不进行任何操作。

同步机制

同步机制用于控制多个线程对共享资源的访问，以保证数据的一致性和完整性。常见的同步机制包括：

• 锁（Lock）：Java提供了ReentrantLock、synchronized等锁机制，用于实现线程同步。
• 原子操作：使用Atomic类提供的一系列原子操作，如AtomicInteger、AtomicLong等，保证操作的原子性。
• 条件变量：使用Condition类允许线程在满足特定条件时挂起，直到条件成立时被唤醒。

悲观锁/乐观锁

悲观锁假定多个线程会竞争同一资源，因此在访问资源前需要加锁。乐观锁则假定竞争不激烈，采用无锁的方式访问资源，通过版本号或时间戳来检测冲突。Java中，乐观锁的实现方式有：

• 基于版本号的乐观锁：通过在数据表中添加版本号字段，每次更新数据时检查版本号是否一致。
• 基于时间戳的乐观锁：通过在数据表中添加时间戳字段，每次更新数据时检查时间戳是否一致。

读写锁

读写锁允许多个线程同时读取资源，但只允许一个线程写入资源。Java中，读写锁的实现方式有：

• ReentrantReadWriteLock：允许多个线程同时读取资源，但在写入时需要独占访问。 -ReadWriteLock：允许多个线程同时读取资源，但在写入时需要独占访问。

条件变量

条件变量允许线程在满足特定条件时挂起，直到条件成立时被唤醒。在Java中，条件变量的实现方式有：

• Object.wait()：线程在调用wait()方法后，会释放当前持有的锁，并进入等待状态，直到被notify()或notifyAll()唤醒。
• Object.notify()：唤醒一个在等待该对象监视器锁的线程。
• Object.notifyAll()：唤醒所有在等待该对象监视器锁的线程。

并发集合

Java提供了多种并发集合，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，它们通过多种机制保证线程安全。例如，ConcurrentHashMap使用分段锁（Segment）来提高并发性能，CopyOnWriteArrayList在写操作时复制整个底层数组，保证了在写操作期间其他线程的读操作能够看到一致的数据。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java中高性能的并发HashMap实现，它通过分段锁（Segment）来提高并发性能。ConcurrentHashMap将数据结构分为多个Segment，每个Segment包含一个小的数据结构，线程在访问数据时，只锁定对应Segment的锁，从而提高并发性能。

CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器在写操作时复制整个底层数组，保证了在写操作期间其他线程的读操作能够看到一致的数据。这种机制适用于读操作远多于写操作的场景，如缓存、日志记录等。

BlockingQueue

BlockingQueue是一个线程安全的队列，它支持阻塞操作。当队列满时，生产者线程会被阻塞，当队列空时，消费者线程会被阻塞。常见的BlockingQueue实现有：

• ArrayBlockingQueue：基于数组实现的阻塞队列，具有固定容量。
• LinkedBlockingQueue：基于链表实现的阻塞队列，具有默认容量或可指定容量。
• PriorityBlockingQueue：基于优先级队列实现的阻塞队列。

并发工具类

Phaser

Phaser是一个线程协作的同步工具，可以用来实现线程间的协作和等待。Phaser可以支持多个线程参与同步，线程在到达某个阶段时，需要等待其他线程到达相同阶段才能继续执行。

Exchanger

Exchanger是两个线程交换数据时使用的工具，可以在两个线程之间交换数据。当两个线程都准备好交换数据时，它们可以使用Exchanger进行数据交换。

FutureTask

FutureTask是一个异步计算的结果，可以用来获取异步执行的结果。FutureTask可以与Thread类一起使用，或者作为Callable接口的实现，用于创建异步任务。

非阻塞算法

非阻塞算法通过使用原子操作和内存屏障来保证操作的原子性和顺序性。常见的非阻塞算法实现方式有：

• 基于CAS（Compare-And-Swap）的操作：CAS操作通过比较内存中的值和预期值，如果相同则将新值写入内存。
• 基于内存屏障的操作：内存屏障用于控制内存操作的顺序，确保操作的原子性和顺序性。

CAS原理

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁算法，通过比较内存中的值和预期值，如果相同则将新值写入内存。CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当内存位置V的值与预期原值A相同时，将新值B写入V，否则不做任何操作。

Atomic类

Atomic类提供了一系列原子操作，如AtomicInteger、AtomicLong等。这些类可以保证对基本数据类型的操作是原子的，从而实现线程安全。

无锁队列

无锁队列是一种不依赖于锁的队列，通过CAS操作来保证线程安全。无锁队列可以提供更高的并发性能，但在某些场景下，可能存在内存顺序性问题。

并发框架

Netty线程模型

Netty使用主从多线程模型，一个Boss线程负责处理连接请求，多个Worker线程负责处理业务逻辑。这种模型可以提高网络应用程序的性能，降低资源消耗。

Akka Actor模型

Akka使用Actor模型，每个Actor都是一个独立的线程，通过消息传递进行通信。Actor模型具有高并发、可伸缩、容错等特点，适用于构建分布式系统。

Disruptor环形缓冲区

Disruptor是一个高性能的并发队列，它使用环形缓冲区来存储数据，并通过事件发布者、事件处理器等组件来处理事件。Disruptor具有低延迟、高吞吐量等特点，适用于构建高性能并发应用程序。

【二、MyBatis知识体系】

SQL映射

MyBatis通过XML或注解的方式将SQL语句与Java对象映射，实现数据库操作。MyBatis的SQL映射主要包括以下方面：

注解映射

MyBatis提供了多种注解来映射SQL语句，如@Select、@Insert、@Update、@Delete等。这些注解可以简化SQL映射的开发过程。

结果集映射

MyBatis可以将数据库查询结果映射到Java对象，通过resultMap来实现。resultMap定义了数据库字段与Java对象属性的映射关系，可以支持复杂的关联查询和类型转换。

关联查询

MyBatis支持关联查询，通过association或collection标签实现。关联查询可以将多个表的数据关联起来，并映射到Java对象中。

动态SQL

MyBatis支持动态SQL，通过 、 、 、 等标签来实现。动态SQL可以根据条件动态生成SQL语句，提高代码的灵活性和可维护性。

OGNL表达式

OGNL（Object-Graph Navigation Language）是一种表达式语言，用于在MyBatis中动态生成SQL语句。OGNL表达式可以访问Java对象的属性和方法，支持集合操作、条件判断等功能。

分支语句

MyBatis支持分支语句，通过 标签实现条件分支。分支语句可以根据条件动态生成SQL语句的一部分，提高代码的灵活性和可维护性。

批量操作

MyBatis支持批量操作，通过 标签实现。批量操作可以将多个SQL语句合并为一个，提高数据库操作的效率。

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

一级缓存是SqlSession级别的缓存，用于缓存查询结果。一级缓存的作用域仅限于当前SqlSession，当SqlSession关闭时，一级缓存也会被清除。

二级缓存

二级缓存是Mapper级别的缓存，用于缓存Mapper的查询结果。二级缓存的作用域可以跨SqlSession，适用于多个SqlSession共享数据的情况。

自定义缓存

MyBatis支持自定义缓存，通过实现Cache接口来实现。自定义缓存可以根据具体需求，定义缓存策略、淘汰机制等。

代理模式

MyBatis使用代理模式来代理Mapper接口，实现数据库操作。代理模式可以隐藏数据库操作的细节，简化开发过程。

MapperProxy

MapperProxy是MyBatis的内部类，用于代理Mapper接口。MapperProxy通过动态代理技术，实现Mapper接口的方法调用。

插件拦截

MyBatis支持插件拦截，通过实现Interceptor接口来实现。插件拦截可以拦截MyBatis的执行过程，实现自定义逻辑。

动态代理执行流程

MyBatis使用动态代理来代理Mapper接口，执行流程包括：

1. 创建MapperProxy实例。
2. 调用MapperProxy的invoke方法。
3. 根据方法类型执行相应的操作。

SqlSession生命周期

SqlSession是MyBatis的核心对象，它的生命周期包括：

1. 创建SqlSession。
2. 使用SqlSession执行数据库操作。
3. 关闭SqlSession。

执行器类型

MyBatis提供了多种执行器类型，如SimpleExecutor、BatchExecutor、ReuseExecutor等。不同的执行器类型适用于不同的场景，可以根据实际需求进行选择。

延迟加载

MyBatis支持延迟加载，通过 标签实现。延迟加载可以降低内存消耗，提高查询效率。

扩展机制

MyBatis提供了多种扩展机制，如类型处理器、拦截器链、方言支持等。

类型处理器

类型处理器用于将数据库类型转换为Java类型。类型处理器可以提高MyBatis的类型转换性能。

拦截器链

拦截器链用于拦截MyBatis的执行过程，实现自定义逻辑。拦截器链可以支持多种拦截器，实现多样化的功能。

方言支持

MyBatis支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle等。方言支持可以简化数据库操作的代码，提高可维护性。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解和应用并发编程和MyBatis。在开发高性能、可扩展的Java应用程序时，合理运用这些技术可以显著提高系统性能和可维护性。

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