并发编程核心知识

📕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

并发编程是现代计算机科学中的一个重要领域，它涉及到如何让计算机系统在多个任务之间高效地切换执行。以下是对并发编程知识体系的详细描述，并补充其技术实现细节。

线程基础

线程是并发编程的基本单位，它是程序执行流的最小单元。线程基础包括：

• 线程生命周期：线程从创建（通过Thread类或其子类实例化）、就绪（线程可被调度执行）、运行（CPU正在执行线程）、阻塞（线程因等待某些资源或事件而暂停）、等待（线程因等待某个条件而挂起）、超时（等待时间超过预设值）、终止（线程执行完毕或被外部强制终止）等状态的变化过程。线程的生命周期管理依赖于操作系统的调度机制。

• 线程优先级：线程优先级决定了线程在多线程环境中的执行顺序。在Java中，线程优先级分为1到10共10个等级，优先级高的线程有更大的机会获得CPU时间片。线程优先级是相对的，且在不同操作系统间可能存在差异。

• 守护线程：守护线程是服务其他线程的线程，当所有非守护线程结束时，程序也会随之结束。守护线程通常用于执行一些后台任务，如垃圾回收器。

• 线程池：线程池是一种管理线程的方法，它可以减少线程创建和销毁的开销。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、队列容量等。Java中的ThreadPoolExecutor类提供了线程池的实现。

核心参数配置

线程池的核心参数配置包括：

• 核心线程数：线程池中维护的最少线程数量，确保即使在没有任务提交时，也至少有这么多线程处于空闲状态。

• 最大线程数：线程池中维护的最大线程数量，当任务数量超过核心线程数时，会创建新的线程来处理任务。

• 存活时间：线程没有任务执行时存活的最长时间，超过这个时间线程将被终止。

• 队列容量：等待队列的最大容量，当队列满时，新提交的任务将根据拒绝策略进行处理。

拒绝策略

当线程池中的线程数量达到最大值时，如何处理新提交的任务，有以下几种拒绝策略：

• AbortPolicy：抛出RejectedExecutionException异常，要求调用者处理这个异常。

• CallerRunsPolicy：调用者自己执行该任务，这可能导致任务执行效率降低。

• DiscardPolicy：直接丢弃任务，不进行任何处理。

• DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务，为新任务腾出空间。

工作队列类型

线程池的工作队列有以下几种类型：

• LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列，适用于生产者-消费者模型。

• ArrayBlockingQueue：基于数组的阻塞队列，有固定容量，适用于固定数量的生产者和消费者。

• PriorityBlockingQueue：具有优先级的阻塞队列，元素按照自然顺序或构造器中提供的Comparator进行排序。

同步机制

同步机制是保证线程安全的关键，包括：

• 悲观锁：假设冲突将会发生，每次访问共享资源前先加锁。在Java中，synchronized关键字和ReentrantLock类是实现悲观锁的常用方式。

• 乐观锁：假设冲突不会发生，通过版本号或时间戳来检测冲突。乐观锁通常用于读多写少的场景，如使用CAS操作实现。

• 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。读写锁可以提高并发性能，特别是在读操作远多于写操作的情况下。

• 条件变量：允许线程在某个条件不满足时等待，直到条件满足时被唤醒。在Java中，Condition接口提供了条件变量的实现。

并发集合

Java提供了多种并发集合，如：

• ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap，使用分段锁（Segment Locking）实现线程安全。

• CopyOnWriteArrayList：线程安全的ArrayList，适用于读多写少的场景，每次修改操作都会创建一个新的数组。

并发工具类

以下是一些常用的并发工具类：

• Phaser：一种灵活的线程同步工具，可以用于实现复杂的同步需求，如线程间协作、阶段同步等。

• Exchanger：两个线程交换数据的工具，适用于线程间数据交换的场景。

• FutureTask：一个可以异步执行并返回结果的线程，常用于线程池中。

非阻塞算法

非阻塞算法是避免使用锁的一种方法，如：

• CAS原理：Compare-And-Swap，比较并交换操作，用于实现无锁算法。

• Atomic类：提供原子操作的类，如AtomicInteger、AtomicLong等，用于实现无锁数据结构。

• 无锁队列：如ConcurrentLinkedQueue，基于CAS操作实现，适用于高并发场景。

并发框架

以下是一些常用的并发框架：

• Netty线程模型：Netty使用主从多线程模型，一个Boss线程负责接收客户端连接，多个Worker线程负责处理业务逻辑。这种模型提高了网络应用程序的并发处理能力。

• Akka Actor模型：Akka使用Actor模型，每个Actor是一个消息处理器，可以并发地处理消息。Actor模型简化了并发编程，提高了系统的容错性和伸缩性。

• Disruptor环形缓冲区：Disruptor使用环形缓冲区来存储数据，通过发布-订阅模式实现高效的并发处理。Disruptor适用于高并发场景，如金融计算、实时系统等。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个优秀的持久层框架，它支持定制化SQL、存储过程以及高级映射。以下是对MyBatis知识体系的详细描述，并补充其技术实现细节。

SQL映射

MyBatis通过XML或注解的方式定义SQL映射，包括：

• 注解映射：使用@Select、@Insert、@Update、@Delete等注解定义SQL语句。注解映射简化了SQL语句的编写，提高了开发效率。

• 结果集映射：定义SQL查询结果与Java对象的映射关系。MyBatis使用Ognl表达式进行映射，支持复杂的映射关系，如一对一、一对多、多对多等。

• 关联查询：通过一对一、一对多、多对多等方式实现关联查询。MyBatis提供了多种关联查询的实现方式，如嵌套查询、联合查询等。

动态SQL

MyBatis支持动态SQL，包括：

• OGNL表达式：用于动态生成SQL语句。OGNL表达式是一种强大的表达式语言，可以动态地访问对象的属性、执行方法等。

• 分支语句：根据条件动态选择不同的SQL语句。MyBatis使用If、Choose、When、Otherwise等标签实现分支语句。

• 批量操作：支持批量插入、更新和删除操作。批量操作可以减少数据库访问次数，提高性能。

缓存机制

MyBatis提供了一级缓存和二级缓存机制，包括：

• 一级缓存：本地缓存，每个SqlSession独立。一级缓存是MyBatis默认的缓存机制，可以提高查询性能。

• 二级缓存：全局缓存，多个SqlSession共享。二级缓存可以提高跨SqlSession的查询性能，但需要配置和管理。

• 自定义缓存：自定义缓存实现，如Ehcache、Redis等。自定义缓存可以提供更丰富的缓存功能和更好的性能。

代理模式

MyBatis使用代理模式实现动态代理，包括：

• MapperProxy：MyBatis的动态代理实现。MapperProxy根据接口方法动态生成代理对象，代理对象在执行方法时会调用MyBatis的执行器执行SQL。

• 插件：通过拦截器实现自定义功能。MyBatis提供了插件机制，可以拦截SQL执行过程，实现自定义功能，如日志记录、性能监控等。

执行流程

MyBatis的执行流程包括：

• SqlSession生命周期：SqlSession的创建、使用和关闭。SqlSession是MyBatis的核心对象，用于执行SQL语句和获取映射结果。

• 执行器类型：MyBatis提供多种执行器类型，如SimpleExecutor、BatchExecutor、ReuseExecutor等。不同的执行器类型适用于不同的场景，如SimpleExecutor适用于单条SQL语句的执行，BatchExecutor适用于批量操作。

• 延迟加载：按需加载关联对象，减少内存消耗。延迟加载可以减少初始化时的内存消耗，提高性能。

• 扩展机制：通过插件和拦截器实现自定义功能。MyBatis提供了插件和拦截器机制，可以扩展MyBatis的功能，如自定义日志记录、性能监控等。

类型处理器

MyBatis提供了多种类型处理器，包括：

• 类型处理器：将Java类型转换为数据库类型。MyBatis使用类型处理器实现Java类型和数据库类型的转换。

• 拦截器链：拦截SQL执行过程，实现自定义功能。MyBatis的拦截器链可以拦截SQL执行过程，实现自定义功能，如日志记录、性能监控等。

方言支持

MyBatis支持多种数据库方言，如MySQL、Oracle、SQL Server等。方言是MyBatis根据不同数据库的特点进行优化的SQL语句集。

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