深入理解JVM底层原理——运行时数据区

运行时数据区概述和线程

1.运行时数据区概述

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    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。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。结合JVM虚拟机规范，来探讨一下经典额JVM内存布局。


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的启动而创建，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。
    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：独立包括程序计数器、栈、本地栈。
•  线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

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。

2.线程

• 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。

1. 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。
• 如果你使用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。这些后台线程不包括调用public static void main(String[] args)的main线程以及所有这个main线程自己创建 线程。
• 这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个：

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”的垃圾收集，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时间的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
3. 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。
4. 编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成本地代码。
5. 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。

3.程序计数器（PC寄存器）

3.1 PC Register介绍

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。
这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器（或指令计数器）会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽闲模拟。

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。

• 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虚拟机规范中没有定任何OutOfMemoryError情况的区域。

3.2 PC寄存器使用举例

 

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);
    }
}

3.3 PC寄存器的两个常见问题

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寄存器为什么会被设定为线程私有？
我们都知道所谓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会不停的做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？为了能够准确的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。
由于CPU时间片轮转限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。
这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

CPU时间片及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：我们可以同事打开多个应用程序，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。

4. 虚拟机栈

4.1 虚拟机栈概述

虚拟机栈出现的背景
    由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。
    优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
    有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度的将JVM中的内存区理解为仅有Java堆（heap）和Java栈（stack）？为什么？
    内存中的栈与堆
    栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
    即：栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么存放、放在哪儿。

 

4.2 虚拟机栈基本内容

• Java虚拟机栈（Java virtual Machine Stack），早起也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应这一次次的Java方法调用。（是线程私有的）
• 生命周期：生命周期和线程一致
• 作用：主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8中基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。（局部变量vs成员变量——属性；基本数据类型变量vs引用数据类型变量——类、数组、接口）

package com.atguigu.java;

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 8:32
 */
public class StackTest {

    public static void main(String[] args) {
        StackTest test = new StackTest();
        test.methodA();
    }

    public void methodA() {
        int i = 10;
        int j = 20;

        methodB();
    }

    public void methodB(){
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}

栈的特点（优点）：

• 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器
• JVM直接堆Java栈的操作只有两个：
  • 每个方法执行，伴随着进栈（入栈和出栈）
  • 执行结束后的出栈操作
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题

 栈中可能出现的异常：

•  Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
  1. 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。
  2. 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存区创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

例：演示栈中的异常

/**
 * 演示栈中的异常:StackOverflowError
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 9:08
 *
 *  默认情况下：count : 11323
 *  设置栈的大小： -Xss256k : count : 2461
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }

}

设置栈内存大小：

我们可以使用-Xss选项来设置线程的最大空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。