JVM 专题七：运行时数据区程序计数器

Posted 2020-12-14 qiu-hua

1.程序计数器

1. 什么是PC寄存器(程序计数器)？

 

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。JVM中的PC寄存器并不是广义上所指的物理寄存器，是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

 

2. 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。

 

3. 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。

 

4. 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；如果是在执行native方法，则是未指定值(undefined)。

 

5. 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。

 

6. 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。

 

7. 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，也没有GC

   

 

2. PC寄存器的作用

 

PC寄存器是用来存储指向下一条指令的地址，也就是即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

|  使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用/为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址？

• 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寄存器为什么会设定为线程私有

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，这样必然会导致经常中断或恢复，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，最好的办法就是为每一个线程都分配一个PC寄存器,这样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。[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]

 

|  举例说明：1个cpu并发执行3个线程，cpu首先执行线程1，假设线程1执行到第4行，cpu切换为执行线程2，那么PC寄存器就会存储线程1下一个字节码指令地址5，然后执行线程2，线程2执行到第6行，cpu切换为执行线程3，那么PC寄存器就会存储线程2下一个字节码指令地址7，如果CPU寄存器是公用的，那么线程2的字节码指令地址7就会覆盖线程1字节码指令地址5，当cpu再切换回执行线程1，就会执行错误，所以PC寄存器设定为线程私有，各个线程之间独立计算

 

3. CPU时间片

 

1. 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。

 

2. 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。

 

3. 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。

 

4. 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. 并行与并发

 

1. 并行：系统有一个以上CPU时,则线程的操作有可能非并发。当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。

 

2. 并发：在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行，但任一个时刻点上只有一个程序在处理机上运行。

 

3. 区别：

 

• 并发和并行是即相似又有区别的两个概念，并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生；
• 而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可以同时执行。