JVM学习上篇内存与垃圾回收之三运行时数据区与程序计数器

运行时数据区与程序计数器

概述

• 内存

  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。

  

• 运行时数据区划分

  灰色为单独线程私有；红色为多个线程共享。即：

  

  线程独有

  独立包括程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈

  线程共享

  堆、堆外内存(永久代或元空间、代码缓存)

• 其他

  每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于内存结构中的中间那个框：运行时环境。

线程

• 概念

  线程是一个程序里的运行单元。JVM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。

• 生命周期

  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。

• 调度方式

  操作系统负责所有线程的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

• 内容介绍

  使用console或者其他调试工具，可以发现除了main线程以及main线程自己创建的线程再运行外，还有许多后台系统线程在运行，以Hotspot JVM为例：

  1. 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包括"stop-the-world"的垃圾回收，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销。

  2. 周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现(比如中断)，它们一般用于周期性操作的调度执行。

  3. GC线程：对JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。

  4. 编译线程：运行时会将字节码编译到本地代码。

  5. 信号调度线程：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。

程序计数器(PC寄存器)

• 内容介绍

  JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。JVM中的程序计数器寄存器(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运行。

• 作用

  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。

  

  1. 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程序计数器完成。

  2. 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。

• 特点

  1. 占用内存小，运行速度最快的存储区域。

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

  3. 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方法，则是未指定值(undefined)。

  4. 唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况区域

• 举例说明

  源码

  
  
    public int minus(){
        int c = 3;
        int d = 4;
        return c - d;
    }
  
  
  

  字节码文件jclasslib反编译

  
  
    0: iconst_3
    1: istore_1
    2: iconst_4
    3: istore_2
    4: iload_1
    5: iload_2
    6: isub
    7: ireturn
  
  
  

  分析例图

  

• 其他

  PC寄存器为什么被设定为私有的

  多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复。

  为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，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

  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。

  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。

参考链接

• 【深入解析JVM】–最新版

  https://blog.csdn.net/xincen9/article/details/106315486

• JVM从入门到精通

  https://www.yuque.com/u21195183/jvm

• 尚硅谷JVM全套教程，百万播放，全网巅峰（宋红康详解java虚拟机）

  https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ