并发编程核心解析

📕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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💡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

并发编程是计算机科学中的一个重要领域，涉及到多线程的同步与协作。在多线程环境下，多个线程可以同时执行，但为了保证数据的一致性和线程间的协作，需要使用一系列的并发编程技术。

1. 线程基础

线程是并发编程的基础，它是程序中执行的最小单元。线程具有以下特点：

（1）独立：每个线程都有自己的执行栈、程序计数器和堆栈，可以独立执行程序。线程的独立执行能力使得程序能够并行处理多个任务。

（2）共享：线程可以共享进程的内存空间、文件句柄、信号等资源。线程的共享特性使得多个线程可以访问同一数据或资源。

（3）并行：线程可以在同一时刻执行，提高程序的执行效率。线程的并行执行能力使得程序能够在多核处理器上实现真正的并行处理。

2. 线程生命周期

线程从创建到销毁，经历了以下生命周期：

（1）新建（New）：线程对象被创建，此时线程处于不可用状态。线程创建后，需要调用start()方法使其进入可运行状态。

（2）就绪（Runnable）：线程等待被调度执行，此时线程处于可用状态。就绪状态的线程在CPU调度器中等待执行。

（3）运行（Running）：线程被调度执行，此时线程处于执行状态。线程在执行状态时，会占用CPU资源。

（4）阻塞（Blocked）：线程因等待某个资源而无法执行，此时线程处于等待状态。例如，线程在等待锁时，会进入阻塞状态。

（5）等待（Waiting）：线程等待其他线程的通知而无法执行，此时线程处于等待状态。线程可以通过调用wait()方法进入等待状态。

（6）超时等待（Timed Waiting）：线程等待其他线程的通知，但等待时间有限，超过等待时间后线程将被唤醒。线程可以通过调用wait(long timeout)方法进入超时等待状态。

（7）终止（Terminated）：线程执行完毕或被强制终止，此时线程处于不可用状态。线程终止后，会释放其所占用的资源。

3. 线程优先级

线程优先级决定了线程被CPU调度的顺序。Java中线程优先级分为以下等级：

（1）最低优先级（MIN_PRIORITY）：1

（2）低优先级（LOW_PRIORITY）：2

（3）默认优先级（NORM_PRIORITY）：5

（4）高优先级（HIGH_PRIORITY）：10

（5）最高优先级（MAX_PRIORITY）：10

线程优先级并不能保证线程一定能够获得更多的CPU时间，它只是提供给调度器一个线程优先级的参考。

4. 守护线程

守护线程（Daemon Thread）是一种特殊的线程，它依赖于其他线程的运行。当所有的用户线程结束时，守护线程会自动结束。Java虚拟机中的垃圾回收线程就是一个守护线程。

守护线程的创建通常在程序启动时完成，可以通过调用Thread.setDaemon(true)方法将线程设置为守护线程。

5. 线程池

线程池是一种管理线程的机制，它预先创建一定数量的线程，并根据需要分配线程执行任务。线程池具有以下优点：

（1）提高线程的复用率，减少创建和销毁线程的开销。线程池中的线程可以重复利用，避免了频繁创建和销毁线程的开销。

（2）合理分配系统资源，避免过多线程竞争资源。线程池可以限制线程数量，避免过多线程竞争系统资源。

（3）提高线程的响应速度，减少线程切换的时间。线程池中的线程可以复用，减少了线程切换的时间。

6. 核心参数配置

线程池的核心参数包括：

（1）核心线程数（corePoolSize）：线程池中的核心线程数量。核心线程数决定了线程池的初始线程数量。

（2）最大线程数（maximumPoolSize）：线程池中允许的最大线程数量。最大线程数决定了线程池在任务量较大时可以创建的最大线程数量。

（3）保持活跃时间（keepAliveTime）：空闲线程在终止前等待新任务的最长时间。当线程池中的线程数量超过核心线程数时，超过保持活跃时间的空闲线程将被终止。

（4）工作队列（workQueue）：用于存放等待执行的任务。工作队列决定了线程池中任务的处理顺序。

（5）拒绝策略（rejectedExecutionHandler）：当任务无法被线程池执行时，采取的拒绝策略。拒绝策略有CallerRunsPolicy、AbortPolicy、DiscardPolicy和DiscardOldestPolicy等。

7. 拒绝策略

拒绝策略有以下几种：

（1）CallerRunsPolicy：调用者运行策略，将任务交给调用者处理。这种策略适用于调用者可以处理任务的情况。

（2）AbortPolicy：抛出异常，终止线程池。这种策略适用于线程池已达到最大线程数，无法再处理任务的情况。

（3）DiscardPolicy：丢弃任务，不执行。这种策略适用于线程池已达到最大线程数，无法再处理任务的情况。

（4）DiscardOldestPolicy：丢弃最早进入队列的任务。这种策略适用于线程池已达到最大线程数，无法再处理任务的情况。

8. 工作队列类型

工作队列有以下几种类型：

（1）ArrayBlockingQueue：基于数组的阻塞队列。它具有固定大小的数组作为工作队列，当队列满时，插入操作会阻塞。

（2）LinkedBlockingQueue：基于链表的阻塞队列。它具有灵活的队列大小，当队列满时，插入操作会阻塞。

（3）PriorityBlockingQueue：具有优先级的阻塞队列。它将元素按照优先级排序，优先级高的元素先被处理。

（4）SynchronousQueue：同步队列，不存储元素。它适用于生产者消费者模型，生产者将元素放入队列，消费者从队列中取出元素。

9. 同步机制

同步机制包括以下几种：

（1）synchronized关键字：同步代码块或方法。它通过锁定对象，保证在同一时刻只有一个线程可以执行同步代码块或方法。

（2）Lock接口：提供高级的锁机制。它允许线程在获取锁之前等待，并在释放锁后唤醒等待的线程。

（3）原子类：提供不可变对象，支持原子操作。它通过内置的锁机制，保证原子操作的一致性。

10. 悲观锁/乐观锁

悲观锁和乐观锁是解决并发数据一致性的两种策略。

（1）悲观锁：假设在多线程环境中，数据一定会发生冲突，因此在操作数据时，先锁定数据，保证操作的原子性。例如，Java中的synchronized关键字和ReentrantLock锁就是悲观锁的实现。

（2）乐观锁：假设在多线程环境中，数据不会发生冲突，因此在操作数据时，不锁定数据，只在更新数据时检查数据的一致性。例如，Java中的Atomic类和版本号机制就是乐观锁的实现。

11. 读写锁

读写锁允许多个线程同时读取数据，但只允许一个线程写入数据。

（1）ReentrantReadWriteLock：可重入的读写锁。它允许多个线程同时读取数据，但写入时需要独占锁。

（2）ReadWriteLock：读写锁接口。它提供了获取读锁和写锁的方法，以及锁的释放方法。

12. 条件变量

条件变量是一种线程间通信的机制，用于等待某个条件成立时唤醒线程。

（1）Object.wait()：使当前线程等待，直到被其他线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒。它会使当前线程释放锁，并进入等待状态。

（2）Object.notify()：唤醒一个在此对象监视器上等待的单个线程。它会使等待线程从等待状态转变为可运行状态。

（3）Object.notifyAll()：唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。它会使所有等待线程从等待状态转变为可运行状态。

13. 并发集合

并发集合包括以下几种：

（1）ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap。它通过分段锁机制，将数据分成多个段，每个段由一个锁管理，提高并发性能。

（2）CopyOnWriteArrayList：线程安全的List。它通过复制整个底层数据结构来实现线程安全，适用于读多写少的情况。

（3）ConcurrentLinkedQueue：线程安全的队列。它通过非阻塞算法和CAS原理，实现线程安全的队列操作。

14. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java中一个高效的线程安全的HashMap实现。它具有以下特点：

（1）分段锁：将数据分成多个段，每个段由一个锁管理，提高并发性能。

（2）线程安全：支持并发访问，保证数据的一致性。

15. CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器在读取时不会加锁，只有在写入时会复制整个底层数据结构，从而保证线程安全。它适用于读多写少的情况。

16. BlockingQueue

BlockingQueue是线程安全的队列，它具有以下特点：

（1）线程安全：支持并发访问，保证数据的一致性。

（2）阻塞操作：当队列满时，插入操作会阻塞；当队列空时，删除操作会阻塞。

17. 并发工具类

并发工具类包括以下几种：

（1）Phaser：线程间协作的框架，支持多阶段的并发控制。它通过协调线程的执行顺序，实现多阶段的并发控制。

（2）Exchanger：线程间交换数据的框架。它允许两个线程在某个时刻交换数据，实现线程间的数据交换。

（3）FutureTask：异步计算任务的结果。它允许线程异步执行任务，并在任务完成后获取结果。

18. 非阻塞算法

非阻塞算法包括以下几种：

（1）CAS（Compare-And-Swap）：比较并交换。它通过比较内存中的值和预期值，如果相等，则将内存中的值替换为新的值。

（2）Atomic类：提供原子操作的类。它通过内置的锁机制，保证原子操作的一致性。

19. CAS原理

CAS原理是一种非阻塞算法，它通过比较内存中的值和预期值，如果相等，则将内存中的值替换为新的值。它适用于多线程环境中，实现无锁的线程安全操作。

20. Atomic类

Atomic类提供原子操作的类，包括：

（1）AtomicInteger：原子操作整数值。

（2）AtomicLong：原子操作长整数值。

（3）AtomicReference：原子操作引用值。

21. 无锁队列

无锁队列是一种基于CAS原理的线程安全队列，它不需要加锁，提高并发性能。它适用于高并发场景，实现无锁的队列操作。

22. 并发框架

并发框架包括以下几种：

（1）Netty：高性能的异步事件驱动网络应用框架。它采用主从多线程模型，使用单个线程处理所有的连接和读写操作，通过事件监听器处理各种事件。

（2）Akka：基于Actor模型的并发框架。它采用Actor模型，将数据流和状态封装在Actor中，支持并发编程。

（3）Disruptor：高性能的环形缓冲区。它采用环形缓冲区实现，支持高效的读写操作，适用于高并发场景。

23. Netty线程模型

Netty采用主从多线程模型，它具有以下特点：

（1）单线程处理：使用单个线程处理所有的连接和读写操作。

（2）事件驱动：通过事件监听器处理各种事件。

（3）线程池：使用线程池处理连接和读写操作。

24. Akka Actor模型

Akka是基于Actor模型的并发框架，它具有以下特点：

（1）Actor：无状态、无副作用的组件，具有并发执行能力。

（2）Actor系统：由多个Actor组成的系统，支持并发编程。

（3）通信：Actor之间通过消息传递进行通信。

25. Disruptor环形缓冲区

Disruptor是一种高性能的环形缓冲区，它具有以下特点：

（1）环形缓冲区：基于环形数组实现，支持高效的读写操作。

（2）生产者消费者模型：支持生产者消费者之间的数据交换。

（3）并发控制：通过CAS原理保证并发操作的一致性。

二、MyBatis知识体系

MyBatis是一个基于Java的持久层框架，它通过XML或注解的方式，将SQL语句与Java代码分离，简化了数据库操作。MyBatis具有以下特点：

1. SQL映射

SQL映射是将Java对象与数据库表进行映射，通过XML或注解的方式定义映射关系。

（1）XML映射：使用XML文件定义SQL映射关系。XML映射可以定义复杂的SQL语句，并支持多种映射方式，如一对一、一对多、多对多等。

（2）注解映射：使用Java注解定义SQL映射关系。注解映射简化了XML映射，提高了代码的可读性和可维护性。

2. 原生SQL

原生SQL支持原生SQL语句，方便编写复杂的SQL。原生SQL可以与XML映射或注解映射结合使用，实现复杂的数据库操作。

3. 动态SQL

动态SQL是指根据业务需求，动态生成SQL语句。

（1） ：根据条件判断是否执行SQL片段。

（2） 、 、 ：实现分支语句。

（3） ：遍历集合，生成循环的SQL。

（4） ：定义可重用的SQL片段。

4. 缓存机制

缓存机制是指将查询结果存储在内存中，提高查询效率。

（1）一级缓存：在SqlSession生命周期内有效，线程安全。一级缓存可以提高查询效率，减少数据库的访问次数。

（2）二级缓存：在全局范围内有效，支持自定义缓存。二级缓存可以提高整个应用系统的查询效率，减少数据库的访问压力。

5. 扩展机制

MyBatis提供以下扩展机制：

（1）拦截器：拦截数据库操作，实现自定义逻辑。

（2）类型处理器：处理类型转换。

（3）方言支持：支持不同的数据库方言。

三、补充说明

1. 线程同步机制

线程同步机制是保证线程安全的重要手段，它包括以下几种：

（1）synchronized关键字：同步代码块或方法。它通过锁定对象，保证在同一时刻只有一个线程可以执行同步代码块或方法。

（2）ReentrantLock：可重入的互斥锁。它提供更灵活的锁机制，支持公平锁和非公平锁。

（3）Semaphore：信号量。它允许多个线程同时访问有限资源，并控制线程的并发数量。

（4）CountDownLatch：倒计时器。它允许一个或多个线程等待其他线程完成某个操作。

（5）CyclicBarrier：循环屏障。它允许一组线程在某个操作完成后继续执行。

2. 并发集合

并发集合包括以下几种：

（1）ConcurrentHashMap：线程安全的HashMap。它通过分段锁机制，将数据分成多个段，每个段由一个锁管理，提高并发性能。

（2）CopyOnWriteArrayList：线程安全的List。它通过复制整个底层数据结构来实现线程安全，适用于读多写少的情况。

（3）ConcurrentLinkedQueue：线程安全的队列。它通过非阻塞算法和CAS原理，实现线程安全的队列操作。

3. 并发工具类

并发工具类包括以下几种：

（1）Phaser：线程间协作的框架，支持多阶段的并发控制。它通过协调线程的执行顺序，实现多阶段的并发控制。

（2）Exchanger：线程间交换数据的框架。它允许两个线程在某个时刻交换数据，实现线程间的数据交换。

（3）FutureTask：异步计算任务的结果。它允许线程异步执行任务，并在任务完成后获取结果。

4. 非阻塞算法

非阻塞算法包括以下几种：

（1）CAS（Compare-And-Swap）：比较并交换。它通过比较内存中的值和预期值，如果相等，则将内存中的值替换为新的值。

（2）Atomic类：提供原子操作的类。它通过内置的锁机制，保证原子操作的一致性。

5. 并发框架

并发框架包括以下几种：

（1）Netty：高性能的异步事件驱动网络应用框架。它采用主从多线程模型，使用单个线程处理所有的连接和读写操作，通过事件监听器处理各种事件。

（2）Akka：基于Actor模型的并发框架。它采用Actor模型，将数据流和状态封装在Actor中，支持并发编程。

（3）Disruptor：高性能的环形缓冲区。它采用环形缓冲区实现，支持高效的读写操作，适用于高并发场景。

6. MyBatis缓存机制

MyBatis缓存机制包括以下几种：

（1）一级缓存：在SqlSession生命周期内有效，线程安全。一级缓存可以提高查询效率，减少数据库的访问次数。

（2）二级缓存：在全局范围内有效，支持自定义缓存。二级缓存可以提高整个应用系统的查询效率，减少数据库的访问压力。

7. MyBatis扩展机制

MyBatis扩展机制包括以下几种：

（1）拦截器：拦截数据库操作，实现自定义逻辑。

（2）类型处理器：处理类型转换。

（3）方言支持：支持不同的数据库方言。

通过以上补充说明，可以更全面地了解并发编程和MyBatis相关知识，提高程序的性能和可维护性。

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