并发编程核心技术解析

📕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。

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Java程序员廖志伟

💡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。

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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,它允许程序在同一时间内执行多个任务。线程的生命周期可以分为以下五个阶段:

  • 创建阶段:使用 Thread 类或其子类创建线程对象。
  • 就绪阶段:线程对象被创建后,调用 .start() 方法使其进入就绪状态,等待被线程调度器选中。
  • 运行阶段:线程调度器选中线程,线程进入运行状态,开始执行任务。
  • 阻塞阶段:线程因为某些原因(如等待I/O操作)不能继续执行,进入阻塞状态。
  • 终止阶段:线程执行完毕或被其他原因终止,进入终止状态。

线程优先级在Java中是一个整数,数值越大,优先级越高。线程优先级由线程调度器根据线程的优先级和系统当前的调度策略进行调度。

守护线程是Java中的一个概念,它是一种特殊的线程,当所有的非守护线程结束时,守护线程也会自动结束。在Java中,可以通过调用 setDaemon(true) 方法将线程设置为守护线程。

线程池是Java并发编程中常用的一种技术,它由一组线程组成,这些线程可以被重复使用,从而减少了线程创建和销毁的开销。线程池的核心参数配置如下:

  • 核心线程数:线程池中保持活跃的最小线程数,即使没有任务执行,这些线程也会保持活动状态。
  • 最大线程数:线程池中能够保持的最大线程数,当任务量超过核心线程数时,线程池会创建新线程来处理任务。
  • 工作队列:存储等待执行的任务队列,如 ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue
  • 拒绝策略:当任务过多,无法放入队列时,如何处理新到达的任务,如 AbortPolicyCallerRunsPolicy 等。
核心参数配置

在配置线程池时,除了上述核心参数外,还有一些其他参数需要考虑:

  • 线程工厂:用于创建线程的工厂,可以自定义线程名称等属性。
  • 拒绝策略:当工作队列已满且无法创建新线程时,如何处理新任务。
  • 线程活跃时间:线程在停止之前可以保持活跃的最长时间,超过这个时间线程将被终止。
  • 线程队列容量:工作队列的最大容量,超过这个容量将触发拒绝策略。
同步机制

同步机制是确保多线程在访问共享资源时不会发生冲突的重要手段。以下是一些常用的同步机制:

  • 悲观锁/乐观锁:悲观锁假设竞争者会修改数据,因此在访问前加锁;乐观锁假设竞争者不会修改数据,通过版本号或时间戳来检测冲突。
    • 悲观锁实现:使用 synchronized 关键字或 ReentrantLock 类实现。
    • 乐观锁实现:使用 CAS 操作或 version 字段。
  • 读写锁:读写锁允许多个线程同时读取数据,但只有一个线程可以写入数据。
    • 读写锁实现:使用 ReentrantReadWriteLock 类。
  • 条件变量:条件变量允许线程在特定条件下等待,直到条件满足时继续执行。
    • 条件变量实现:使用 Object.wait()Object.notify() 方法,或使用 ReentrantLock 类的 newCondition() 方法。
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。以下是一些常用的并发集合:

  • ConcurrentHashMap:线程安全的HashMap,支持高并发访问。
    • 实现细节:基于分段锁技术,将数据分为多个段,每个段使用单独的锁。
  • CopyOnWrite容器:基于写时复制的并发容器,适用于读多写少的场景。
    • 实现细节:在执行写操作时,创建原容器的副本,在副本上进行修改,修改完成后将副本赋值给容器。
  • BlockingQueue:线程安全的队列,支持生产者-消费者模型。
    • 实现细节:基于数组或链表实现,支持阻塞操作,如 put()take()offer()poll() 等。
并发工具类

Java提供了一些并发工具类,用于简化并发编程。以下是一些常用的并发工具类:

  • Phaser:用于协调多个线程的同步。
    • 实现细节:基于环形计数器实现,每个线程在执行任务后调用 arrive() 方法,当所有线程都到达后,可以继续执行。
  • Exchanger:允许两个线程在某个点交换数据。
    • 实现细节:基于 ReentrantLockCondition 实现,两个线程在交换数据前需要等待对方到达。
  • FutureTask:表示异步计算的结果。
    • 实现细节:基于 Runnable 实现,可以获取异步计算的结果,也可以取消任务。
非阻塞算法

非阻塞算法是并发编程中的一种重要技术,它可以在不使用锁的情况下实现线程间的同步。以下是一些常用的非阻塞算法:

  • CAS原理:Compare-And-Swap(比较并交换)操作,用于实现无锁编程。
    • 实现细节:使用 Atomic 类提供的原子操作方法,如 compareAndSet()getAndAdd() 等。
  • Atomic类:提供原子操作的类,如 AtomicIntegerAtomicLong 等。
    • 实现细节:基于 volatile 关键字和 sun.misc.Unsafe 类提供的方法实现。
  • 无锁队列:支持无锁操作的队列,如 ConcurrentLinkedQueue
    • 实现细节:基于CAS操作实现,线程在添加或删除元素时使用 CAS 操作。
并发框架

一些流行的并发框架包括:

  • Netty线程模型:Netty采用主从多线程模型,提供高性能的网络通信。
    • 实现细节:主线程负责接收客户端连接,从线程负责处理客户端请求。
  • Akka Actor模型:基于Actor模型的并发框架,提供高吞吐量和低延迟。
    • 实现细节:Actor是一个消息传递的实体,所有Actor之间的通信都通过消息传递实现。
  • Disruptor环形缓冲区:提供高性能的环形缓冲区,适用于高并发场景。
    • 实现细节:基于环形缓冲区实现,通过CAS操作实现无锁并发。

MyBatis知识体系

SQL映射

MyBatis的SQL映射是MyBatis的核心功能之一,它允许将XML文件中的SQL语句映射到Java接口或实体类的方法上。以下是一些常用的SQL映射技术:

  • 注解映射:使用注解直接在Java接口或实体类上指定SQL映射。
    • 实现细节:使用 @Select@Insert@Update@Delete 等注解定义SQL语句。
  • 结果集映射:将数据库查询结果映射到Java对象。
    • 实现细节:使用 <resultMap> 标签定义结果集映射,指定列名、属性名、类型等信息。
  • 关联查询:处理多表关联查询,将结果映射到嵌套的Java对象。
    • 实现细节:使用 <association><collection> 标签定义关联关系。
动态SQL

MyBatis支持动态SQL,允许在执行SQL语句时根据条件动态地拼接SQL片段。以下是一些常用的动态SQL技术:

  • OGNL表达式:使用OGNL表达式进行动态条件判断。
    • 实现细节:OGNL表达式可以访问对象的属性、方法、静态方法等。
  • 分支语句:根据条件执行不同的SQL片段。
    • 实现细节:使用 <if><choose><when><otherwise> 等标签定义分支语句。
  • 批量操作:支持批量插入、更新、删除操作。
    • 实现细节:使用 <foreach> 标签定义批量操作。
缓存机制

MyBatis提供两级缓存机制,用于提高数据库访问效率。

  • 一级缓存:本地缓存,存储在SqlSession中,仅对当前SqlSession有效。
    • 实现细节:使用HashMap存储查询结果,通过查询缓存来避免重复查询数据库。
  • 二级缓存:全局缓存,存储在MyBatis配置文件中,对所有SqlSession有效。
    • 实现细节:使用HashMap存储查询结果,通过配置文件或XML方式定义缓存策略。
  • 自定义缓存:通过实现Cache接口自定义缓存策略。
    • 实现细节:实现Cache接口的方法,如 putObject()getObject()removeObject()clear() 等。
代理模式

MyBatis使用代理模式实现动态代理,允许在运行时动态地创建代理对象。

  • MapperProxy:MyBatis提供的代理类,实现接口方法调用。
    • 实现细节:使用 InvocationHandler 接口实现代理逻辑,拦截接口方法调用,执行SQL语句。
  • 插件拦截:通过插件拦截SqlSession的生命周期方法,实现自定义功能。
    • 实现细节:实现Interceptor接口,在拦截器中定义拦截逻辑。
执行流程

MyBatis执行流程包括以下步骤:

  • 动态代理执行流程:通过动态代理调用Mapper接口方法。
    • 实现细节:使用 Proxy.newProxyInstance() 方法创建代理对象,拦截接口方法调用。
  • SqlSession生命周期:SqlSession从创建到关闭的生命周期管理。
    • 实现细节:SqlSession在创建时初始化数据库连接、事务管理器等,在关闭时释放资源。
  • 执行器类型:MyBatis提供多种执行器类型,如SimpleExecutor、ReuseExecutor等。
    • 实现细节:SimpleExecutor每次执行SQL语句都创建新的数据库连接,ReuseExecutor复用数据库连接。
  • 延迟加载:按需加载关联对象,减少内存消耗。
    • 实现细节:使用 @Lazy 注解或 <lazyLoad> 标签定义延迟加载。
  • 扩展机制:通过实现接口或继承类扩展MyBatis功能。
    • 实现细节:实现Executor、Interceptor、TypeHandler等接口,或继承BaseExecutor、SqlSession等类。
类型处理器

MyBatis提供类型处理器将Java类型转换为数据库类型。

  • 类型处理器:处理Java类型和数据库类型之间的转换。
    • 实现细节:实现 TypeHandler 接口,定义 write()read()resultMap()sqlType() 等方法。
  • 拦截器链:拦截器链允许自定义数据处理逻辑。
    • 实现细节:实现Interceptor接口,在拦截器中定义拦截逻辑。
方言支持

MyBatis支持多种数据库方言,包括MySQL、Oracle、PostgreSQL等。

  • 方言支持:通过配置文件或XML方式指定数据库方言。
    • 实现细节:在MyBatis配置文件中定义 <databases> 标签,指定数据库类型和方言。
  • 自定义方言:实现VfsProvider接口自定义方言。
    • 实现细节:实现VfsProvider接口,定义方言的SQL解析器和数据库驱动。

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Java程序员廖志伟

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