程序计数器（PC寄存器）以及java虚拟机栈的存储结构与运行原理的基本介绍

古城微笑少年丶 2023-01-11 09:10 98阅读 0赞

# 学习内容： #

**1、运行时数据区的结构**  
**2、JVM线程的说明**  
**3、程序计数器（PC寄存器）**  
**4、java虚拟机栈**

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# 内容详情： #

**1、运行时数据区的结构**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p4Ympy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
**其中：上面的本地方法栈，程序计数器，虚拟机栈是每个线程都有一份的，堆区和和右边的方法区是线程共享的。一个进程有多个线程，每个线程都有自己的本地方法栈，程序计数器，虚拟机栈，他们共享堆区和方法区。**

**右下角的元数据区和JIT编译产物就是方法区，可以将JIT编译产物认为是不属于方法区的，也可以认为是的，我就先认为是的，只要知道它不是堆区的，这样好描述，而且这个细节也不影响学习。**

**2、JVM线程的说明**  
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。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\[\])的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程。**

**这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个**:

**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。

**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。  
**这里先说明一下，有个概念，后面学到了就知道了**

**3、程序计数器（PC寄存器）**  
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寄存器的一种抽象模拟

**这里看不出来它是干嘛的，如何干的，下面的作用就会好好的描述工作原理**

**作用：**  
PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，即，将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p4Ympy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
这张图片学完了就能看懂了，我们看下一张图片更形象。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p4Ympy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
**这是一个线程，PC寄存器现在存储的是第五条指令的地址，当运行这个线程的时候，执行引擎访问PC寄存器存储的地址，然后进行操作局部变量表等操作，将字节码指令翻译成机器指令，cpu识别并且运算。作用很简单**。

**补充描述：**  
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**（这个在线程中会描述，下面描述线程的时候就懂了）。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(undefned)

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虛拟机规范中没有规定任何outotMemoryError情况的区域。

**关于程序计数器的面试题**  
**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。

这里涉及并行和并发。并行是同时一起执行，而并发是CPU不停的切换各个线程使我们感觉是一起执行的，所以当线程一切换到线程二的时候，我们该运行线程二的哪条指令呢，所以这就是我们PC寄存器的作用，每个线程都有PC寄存器来存储下一条要执行的指令。回答上面即可，这里只是详细解释一下。

**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?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。

由于CPU时间片轮限制，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。

如果不是私有是共享的话，那么会出现，你在线程一记录的是第五条指令，在线程二运行到了第七条，那么记录了第八条指令，再回到线程一，PC寄存器存的是第八条而不是第五条，所以需要线程私有，共享会出错。

**4、java虚拟机栈**

**java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。

**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。  
堆解决的中是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。**

**Java虛拟机栈是什么?**

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack) ，早期也叫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) ，对应着一次次的Java方法调用。

是线程私有的

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种基本数据类型、对象的引用地址)、部分结果，并参与方法的调用和返回。

**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直接对Java栈的操作只有两个:

每个方法执行，伴随着进栈(入栈、压栈)

执行结束后的出栈工作

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。

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。

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去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出-个OutofMemoryError 异常。

**栈中存储什么?**

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在。

在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧(Stack Frame)。

栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息.

**JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压(入)栈和出栈，遵循“先进后出”/“后进先出”原则。**

**在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧(栈顶栈帧)是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧(Current Frame) ，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(Current。Method)，定义这个方法的类就是当前类(Current Class) 。**

**执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。**

**如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。**

描述到这，都是概念性的问题比较抽象，栈到底是哪样的呢，栈里面是栈帧，栈帧又能细分，这是我明天学习的内容，今天用一张图片描述栈的工作原理  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p4Ympy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
首先一个方法对应一个栈帧，方法一先进栈，执行的时候，里面调用了方法二，方法二又进栈，此时当前栈帧变为方法二，方法二执行的时候，里面调用了方法三，方法三进栈，此时当前栈帧变为方法三，方法三执行的时候，里面调用了方法四，方法四进栈，此时当前栈帧变为方法四，方法四继续执行到结束，出栈，此时当前栈帧变为方法三，方法三执行到结束，出栈，此时当前栈帧变为方法二，方法二执行到结束，出栈，此时当前栈帧变为方法一，方法一执行到结束，出栈。

这就是一个后进先出的过程，结合这张图就完美的描述了这个过程。

…

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