Java并发(四)----线程运行原理

1、线程运行原理

1.1 栈与栈帧  

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈 JVM）

我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

• 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存

• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

单线程示例代码

public class TestFrames {
    public static void main(String[] args) {
        method1(10); // 断点处
    }
​
    private static void method1(int x) {
        int y = x + 1;
        Object m = method2();
        System.out.println(m);
    }
​
    private static Object method2() {
        Object n = new Object();
        return n;
    }
}

在打断点处，可以看到一个栈帧

执行到method1，可以看到新起了一个栈帧

当执行到method2时，可以看到又新起了一个栈帧

由于是栈，随着的程序的运行，后面开启的栈帧会先被销毁，直至main栈帧被销毁，此刻程序运行完成。

对应图解：

内存释放后

具体就是：

1.将编译好的字节码加载到jvm的方法区内存中

2.jvm启动一个main的主线程，cpu核心就准备运行主线程的代码了，给主线程分配自己的栈内存【args、局部变量、返回地址、所记录】，每个线程的栈里面还有个程序计数器

程序计数器的作用:当cpu要执行哪行代码了，就去这个里面去要

3.把主方法的里面代码行放到程序计数器

4.主方法调用的是method1的方法，为method1分配栈内存，里面存储这个方法里面局部变量，返回地址，这些变量是分配内存时，会把空间预留好

5.将method1的第一行读到程序计数器让cpu执行

6.methode1下一行调用method2()方法，创建他的栈内存

7.把Object n = new Object()这行代码读取到计数器，在队中创建对象

8.method2()将返回地址给m，方法执行完就可以释放掉method2()的栈内存

9.一层层方法结束后，依次释放掉每个方法线程

现在来看看多线程下的栈与栈帧

public class TestFrames {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                method1(20);// 断点处
            }
        };
        t1.setName("t1");
        t1.start();
        method1(10);// 断点处
    }
​
    private static void method1(int x) {
        int y = x + 1;
        Object m = method2();
        System.out.println(m);
    }
​
    private static Object method2() {
        Object n = new Object();
        return n;
    }
}
​

在第一个断点处

可以看到多个线程同时运行中，我们可以选择具体的线程来查看运行状况并且往下运行，具体的读者可以自行实践。

1.2 线程上下文切换（Thread Context Switch）

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码（简单来说就是从使用cpu到不使用cpu）

• 线程的 cpu 时间片用完

• 垃圾回收

• 有更高优先级的线程需要运行

• 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch（上下文切换） 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

• 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等

• Context Switch 频繁发生会影响性能，因为线程数不是越多越好。