JVM虚拟机详解程序计数器(PC寄存器)PC Register

Posted 2022-03-04 _否极泰来_

JVM虚拟机详解(五)程序计数器(PC寄存器)PC Register

1. 概述

Java 虚拟机可以同时支持多个线程的执行(jls17)。每个 Java 虚拟机线程都有自己的 pc (程序计数器)寄存器。在任何时候，每个 Java 虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法(2.6)。如果这个方法不是本机的，那么 pc 寄存器就会包含当前正在执行的 Java 虚拟指令的地址。如果当前由线程执行的方法是本机的，那么 Java 虚拟机的 pc 寄存器的值是未定义的。Java 虚拟机的 pc 寄存器足够宽，可以在特定平台上保存 returnAddress 或本机指针。

官网：The Java® Virtual Machine Specification (oracle.com)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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（undefned）。
6. 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。
7. 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。
8. 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutofMemoryError情况的区域。

• 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。

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，来探讨一下经典的JVM内存布局。

• 代码实现

  package com.peppa.register;
  
  /**程序计数器
   * @author: peppa
   * @create: 2022-02-10 13:25:3
   */
  public class PCRegisterTest 
      public static void main(String[] args) 
          int i = 10;
          int j = 20;
          int k = i + j;
      
  
  

  然后将代码进行编译成字节码文件，我们再次查看 ，发现在字节码的左边有一个行号标识，它其实就是指令地址，用于指向当前执行到哪里。

  0: bipush        10
  2: istore_1
  3: bipush        20
  5: istore_2
  6: iload_1
  7: iload_2
  8: iadd
  9: istore_3
  10: return
  

  通过PC寄存器，我们就可以知道当前程序执行到哪一步了

• 使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？

  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寄存器为什么被设定为私有的？
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

2.CPU 时间片

1. CPU时间片即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。
2. 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。
3. 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。