【JVM 内存结构 | 程序计数器】

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前言

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Java 虚拟机的内存空间由 堆、栈、方法区、程序计数器和本地方法栈五部分组成。

简介

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  JVM（Java Virtual Machine）内存结构包括以下几个部分：

• 堆区（Heap）：堆区是最大的一块内存区域，由所有线程共享。所有的对象实例以及数组都在这块内存中分配。
• 方法区（Method Area）：方法区用于存储已被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量，以及即时编译器编译后的代码等数据。
• 栈（Stack）：每个线程在创建时都会创建一个 JVM 栈，每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
• 程序计数器（Program Counter Register）：这是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码指令的行号指示器。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：与 JVM 栈类似，但是本地方法栈主要用于执行本地方法。

图示如下：

  JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

程序计数器

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定义

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  程序计数器（PC 寄存器）是一块较小的内存空间，它是一个专用的寄存器，用于存储当前正在执行的指令在指令序列中的位置。

作用

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• 按照顺序依次执行指令序列中的指令，当执行到跳转指令时，需要根据跳转指令的目标地址更新程序计数器的值，以便下一条指令能够正确执行。
• 实现异常处理和中断服务。当程序出现异常或被中断时，程序计数器的值会被保存下来，以便在异常或中断处理结束后能够正确地继续执行程序。

特点

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• 线程隔离性：每个线程拥有自己的程序计数器，一个线程无法直接访问和修改另一个线程的程序计数器。
• 内存占用小：程序计数器占用的内存空间非常小，可以忽略不计。
• 无OutofMemoryError：程序计数器是Java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError的区域。
• 执行时有值：程序执行的时候，程序计数器有值，其记录的是程序正在执行的字节码的地址。
• 执行本地方法时值为空：执行native本地方法时，程序计数器的值为空。原因是native方法是Java通过jni调用本地C/C++库来实现，非Java字节码实现，所以无法统计。

示例

public class ProgramCounterExample {
    public static void main(String[] args) {
        ProgramCounter pc = new ProgramCounter();

        pc.increment();
        System.out.println(pc.getValue());  // 输出 1

        pc.decrement();
        System.out.println(pc.getValue());  // 输出 0

        pc.setValue(pc.getValue() + 1);
        System.out.println(pc.getValue());  // 输出 1
    }
}

class ProgramCounter {
    private int value;

    public ProgramCounter() {
        value = 0;
    }

    public void increment() {
        value++;
    }

    public void decrement() {
        value--;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }
}

应用场景

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• 指令执行控制：程序计数器可以用于实现指令流水线，即每条指令执行时，程序计数器会自动增加，指向下一条要执行的指令。
• 实现跳转：当程序执行到跳转指令时，程序计数器需要根据跳转指令的目标地址更新自身的值，以便下一条指令能够正确执行。
• 实现异常处理和中断服务：当程序出现异常或被中断时，程序计数器的值会被保存下来，以便在异常或中断处理结束后能够正确地继续执行程序。
• 实现多线程：在多线程环境中，每个线程拥有自己的程序计数器，用于记录该线程正在执行的指令序列。

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