我所知道JVM虚拟机之运行时数据区的概述与程序计数器（PC寄存器）

前言

本篇开始学习运行时数据区，上篇文章对类加载子系统做了讲解，后续重点展开观看字节码指令去了解

现在我们知道类加载器里面有什么，做了什么事情就可以

其实当我们类加载器把类存放到内存当中方法区实际上已经开始使用运行时数据区了，接下来就需要对讲讲运行时数据区进行讲解了

一、运行时数据区概述

前面我们说过我们的类会经过类加载器进行的加载 –> 验证 –> 准备 –> 解析 –> 初始化，这几个阶段完成后就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区

我们可以类比一下也就是大厨做饭，我们把大厨后面的东西（切好的菜，刀，调料），比作是运行时数据区。而厨师可以类比于执行引擎，将通过准备的东西进行制作成精美的菜品

运行时数据区其实我们用的就是内存了，而内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行

我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后CPU从内存中获取数据进行读取

JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行，以及不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异

我们可以看看阿里巴巴手册JDK8的内存图

关于线程的内存

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Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区：

其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。
另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁

我们这里说灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的即

每个线程独有：独立包括程序计数器、栈、本地方法栈
而线程共享有：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

假如我们现在有五个线程，则会有五组灰色区域，而共用一个红色区域

关于Runtime类

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每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框：运行时环境

二、从虚拟机看线程

我们说线程是一个程序里的运行单元而在JVM中允许一个应用有多个线程并行的执行

在Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射

当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收

操作系统负责将线程安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run()方法

JVM系统线程

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我们可以使用jconsole或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行

不过这些线程不包括调用public static void main(String[])的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程

而这些后台系统线程在Hotspot JVM主要有以下几种：

虚拟机线程：这种线程的操作是需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要JVM达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型括”stop-the-world”的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销
周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行
GC线程：这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持
编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码
信号调度线程：这种线程接收信号并发送给JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理

三、运行时数据区之程序计数器（PC寄存器）

首推官网的PC寄存器介绍：访问地址入口

JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行

JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟

PC寄存器作用

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PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令，并执行该指令。

PC寄存器介绍

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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，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致

任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。

程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者如果是在执行native（本地方法栈）方法，则是未指定值（undefined）

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依赖这个计数器来完成

字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令

它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutofMemoryError情况的区域

举例体会PC寄存器

public class PCRegisterTest {

    public static void main(String[] args) {
        
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;

        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);

    }
}

我们先通过字节码来看看信息

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=5, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: ldc           #2                  // String abc
        12: astore        4
        14: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        17: iload_1
        18: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        21: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        24: iload_3
        25: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        28: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 3
        line 12: 6
        line 14: 10
        line 15: 14
        line 16: 21
        line 18: 28
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      29     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      26     1     i   I
            6      23     2     j   I
           10      19     3     k   I
           14      15     4     s   Ljava/lang/String;

左边的数字代表指令地址（指令偏移），即 PC 寄存器中可能存储的值，然后执行引擎读取 PC 寄存器中的值，并执行该指令

比如说PC寄存器存放指令地址：5，而执行引擎会看到PC寄存器存放的是5，那么会去对应的操作指令：instore_2，将它放到操作局部变量表、操作数栈保存，并且讲字节码指令翻译成机器指令让CPU执行

常见面试题

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使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？
为什么使用 PC 寄存器来记录当前线程的执行地址呢？

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行

JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令

PC寄存器为什么被设定为私有的？

因为我们知道所谓的多线程是在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法

而CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？

最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址。这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况

CPU 时间片

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CPU时间片即CPU分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片

在宏观上：我们可以同时打开多个应用程序，每个程序并行不悖，同时运行

但在微观上：由于只有一个CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如何处理公平，一种方法就是引入时间片，每个程序轮流执行

并发和并行的区别

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这里我们讲解一下并发与并行的区别

并行（Parallel）：当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行

并发（Concurrent）：在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行

用网吧的机子来说我们有十台电脑，晚上可以让十个人同时上机，这叫并行同时进行，互不争抢

假如我们只有一台电脑但是有五个人来上机，可能就是每个人玩一段时间或者干脆等待别人下机再到你

参考资料

尚硅谷：JVM虚拟机（宋红康老师）