画图学 JVM（六） 04 程序计数器

一、 内容结构图

本章主要介绍 PC 寄存器的相关知识， 包括为什么叫这个名字？ 程序计数器有什么作用？有哪些特征， 并通过一个实例详细介绍，最后介绍两个面试常见的问题。

二、程序计数器介绍

2.1 程序计数器所处的位置

程序计数器又叫 PC 寄存器（Program Counter Register）。PC 寄存器并非物理寄存器，翻译为程序计数器更贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起不必要的误会。JVM 中的 PC 寄存器是对物理寄存器的一种抽象模拟。

• 官方说明
  各版本地址
  https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html
  JDK 8 地址
  https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/

2.2 程序计数器的作用

用来存储指向下一条指令的地址，由引擎读取下一条指令。它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要这个计数器来完成。字节码解释器工作时，通过改变计数器的值来选取指令执行。

2.3 特点

• 唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定 OOM 的区域
• 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域
• 在 JVM 规范中，每个线程都有他自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程生命周期保持一致

2.4 存放的内容

• 执行 Java 方法时：当前方法的 JVM 下一条指令地址
• 执行 Native 方法时：未指定值（undefined）

二、举例说明

2.1 代码与字节码

使用 javap 命令查看字节码文件（.class）

2.2 从执行的角度看程序计数器

1. 执行引擎从当前线程的程序计数器获取指令地址（偏移地址）。
2. 根据指令地址获取字节码指令访问和操作数栈、本地变量表等。
3. 字节码指令会解释或编译成机器指令后，交给 CPU执行。

三、两个常见问题

3.1 问题一

使用 PC寄存器指令地址有什么用呢？
为什么使用 PC 寄存器记录当前线程的执行地址呢？
PC 寄存器存储指向下一条指令的地址，由引擎读取下一条指令。它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要这个计数器来完成。字节码解释器工作时，通过改变计数器的值来选取指令执行。

3.2 问题二

PC 寄存器为什么要设定为线程私有？
多线程的并发是指在一个时间段内多个线程轮流执行，但某一个时间点上，只有一个线程在执行，CPU 在任务切换时，需要不停将线程中断或恢复。为了能够准确记录各个线程正在执行的字节码指令地址，最好的办法就是为每个线程都分配一个 PC 寄存器。每个线程创建后，都生成各自的程序计数器和栈帧，这样在中断和恢复运行时线程就互不影响了。

3.3 并发行与并发简介

• 时间片：是分时操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间，时间片通常很短（在Linux 上为5ms－800ms），用户不会感觉到。
• 串行：线程按先后顺序执行， 并且在一个线程执行完成后才切换另一个线程执行。
• 并行：同一时间点多个线程同时运行。多核或集群。
• 并发：就是指多个线程在一个时间段内通过时间片轮番执行， 一个时间点上只有一个线程在运行。线程轮番穿插地运行 ，“看起来像”同时运行的。

系列学习

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画图学JVM（二）章节目录
画图学JVM（三）01 JVM 与 Java 体系结构
画图学JVM（四）02 类加载子系统
画图学JVM（五） 03 运行时数据区概述和线程
画图学JVM（六） 04 程序计数器

附件

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