jvm入门及理解（三）——运行时数据区（程序计数器+本地方法栈）

一、内存与线程

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。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（对于Hotspot主要指方法区）

java虚拟机定了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。

如图，灰色的区域为单独线程私有的，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（方法区、永久代或元空间、代码缓存）

一般来说，jvm优化95%是优化堆区，5%优化的是方法区。

线程：

• 线程是一个程序里的运行单元，JVM允许一个程序有多个线程并行的执行；
• 在HotSpot JVM，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.

查看jvm线程的方法：

使用jconsole

HotSpot JVM后台主要线程：

• 虚拟机线程：这种线程的操作时需要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提现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
• GC线程：这种线程对于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降字节码编译成本地代码
• 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。

二、运行时数据区概览

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为上图若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，已经创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而创建，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。

三、程序计数器（pc寄存器）

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只有把数据装到寄存器才能够运行。JVM中的PC寄存器是对计算机PC寄存器的一种抽象模拟。

作用：PC寄存器是用来存储指向下一条指令的地址，也即将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，几乎可以忽略不计。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，如果实在执行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吓一跳需要执行的字节码指令
• 它是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OOM情况的区域

CPU时间片

• CPU时间片即CPU分配各各个程序的时间，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。
• 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。
• 并行：同一时间多个线程同时执行；
• 并发：一个核快速切换多个线程，让它们依次执行，看起来像并行，实际上是并发

四、本地方法栈

• Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用
• 本地方法栈，也是线程私有的。
• 允许被实现成固定或者是可动态拓展的内存大小。（在内存溢出方面是相同的）
  • 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverFlowError异常。
  • 如果本地方法栈可以动态扩展，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本地方法栈，那么java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。
• 本地方法是使用C语言实现的
• 它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。
• 当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限
  • 本地方法可以通过本地方法接口来 访问虚拟机内部的运行时数据区
  • 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
  • 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存
• 并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。
• 在hotSpot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。