深入理解java虚拟机——JAVA虚拟机程序计数器深度解析这一篇就够了

目录

一、开篇介绍

二、程序计数器（Program Counter Register）

       ------ 程序计数器在虚拟机中的特点

       ------ 程序计数器在虚拟机整体架构中的位置

三、JAVA虚拟机多线程的执行过程

       ------ Java调度机制

       ------ Java中线程的状态分为6种

四、java多线程下程序计数器如何起作用的：

五、番外篇

 

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开篇介绍

 

1、前篇介绍了【 JAVA虚拟机堆内存结构以及堆内存作用对象回收机制 】，主要包含四部分

    一、堆区（Heap） 

    二、对象的内存布局

    三、对象的访问定位

    四、Java堆的内存划分

2、前篇博文已将对JVM虚拟机内存中的 方法栈 【JAVA虚拟机内存结构之虚拟机栈（JVM Stack）】做了详细的介绍，栈的四大部分：

虚拟机栈主要用于存储四部分内容

栈帧(Stack Frame)

        ------ 局部变量表

        ------ 操作数栈

        ------ 动态连接

        ------ 方法返回地址

想了解栈的内存结构，已将栈的运行原理，可以去看一下。

 

想了解JVM整体内存架构的可以看一下这篇博文  【JAVA虚拟机的整体内存模型】，可以从整体了解虚拟机的组成，以及各部分功能如何组合在一起工作的。

 

下面开始本篇主要介绍的内容：

 

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一、程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器 是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

　　每个程序计数器只用来记录  一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。

　　如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的  虚拟机字节码指令地址 ；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

 

程序计数器在虚拟机中的特点

1. 线程私有的。
2. 是java虚拟机规范里面， 唯一 一个 没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
3. 生命周期随着线程，线程启动而产生，线程结束而消亡。

 

程序计数器在虚拟机整体架构中的位置

 

程序计数器是最小的一块内存区域，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
每条线程需要有一个独立的程序计数器（线程私有），以保证线程切换后能恢复到正确的执行位置。

 

JAVA虚拟机多线程的执行过程

 

Java调度机制

所有的Java虚拟机都有一个线程调度器，用来确定那个时刻运行那个线程。主要包含两种：抢占式线程调度器和协作式线程调度器。

• 抢占式线程调度：每个线程可能会有自己的优先级，但是优先及并不意味着高优先级的线程一定会被调度，而是由CPU随机的选择，所谓抢占式的线程调度，就是说一个线程在执行自己的任务时，虽然任务还没有执行完，但是CPU会迫使它暂停，让其它线程占有CPU的使用权。
• 协作式线程调度：每个线程可以有自己的优先级，但优先级并不意味着高优先级的线程一定会被最先调度，而是由cpu时机选择的，所谓协作式的线程调度，就是说一个线程在执行自己的任务时，不允许被中途打断，一定等当前线程将任务执行完毕后才会释放对cpu的占有，其它线程才可以抢占该cpu。

两者对比：

抢占式线程调度不易发生饥饿现象，不易因为一个线程的问题而影响整个进程的执行，但是其频繁阻塞与调度，会造成系统资源的浪费。协作式的线程调度很容易因为一个线程的问题导致整个进程中其它线程饥饿。

java的用法：

Java在调度机制上采用的是抢占式的线程调度机制。

Java线程在运行的过程中多个线程之间式协作式的。

 

 

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换分配处理执行时间的方式来实现的。
在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条程序中的指令。

线程的执行需要操作系统分配执行时间片 ，当时间片使用完后，线程就会被挂起

 

 

Java中线程的状态分为6种

1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。
线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。
3. 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
4. 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
5. 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

这6种状态定义在Thread类的State枚举中，可查看源码进行一一对应。

 

 

java多线程下程序计数器如何起作用的：

 

1.线程隔离性，每个线程工作时都有属于自己的独立计数器。
2.执行java方法时，程序计数器是有值的，且记录的是正在执行的字节码指令的地址（参考上一小节的描述）。
3.执行native本地方法时，程序计数器的值为空（Undefined）。因为native方法是java通过JNI直接调用本地C/C++库，可以近似的认为native方法相当于C/C++暴露给java的一个接口，java通过调用这个接口从而调用到C/C++方法。由于该方法是通过C/C++而不是java进行实现。那么自然无法产生相应的字节码，并且C/C++执行时的内存分配是由自己语言决定的，而不是由JVM决定的。

字节码解释器工作时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。
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。

 

关于class指令如何解析查看，可以看我的这篇文章  JAVA虚拟机内存结构之虚拟机栈（JVM Stack） ， 里面有详细的步骤。

 

 

 

番外篇

 

Java中线程的状态详解：

1. 初始状态
实现Runnable接口和继承Thread可以得到一个线程类，new一个实例出来，线程就进入了初始状态。

2.1. 就绪状态
就绪状态只是说你资格运行，调度程序没有挑选到你，你就永远是就绪状态。
调用线程的start()方法，此线程进入就绪状态。
当前线程sleep()方法结束，其他线程join()结束，等待用户输入完毕，某个线程拿到对象锁，这些线程也将进入就绪状态。
当前线程时间片用完了，调用当前线程的yield()方法，当前线程进入就绪状态。
锁池里的线程拿到对象锁后，进入就绪状态。
2.2. 运行中状态
线程调度程序从可运行池中选择一个线程作为当前线程时线程所处的状态。这也是线程进入运行状态的唯一一种方式。

3. 阻塞状态
阻塞状态是线程阻塞在进入synchronized关键字修饰的方法或代码块(获取锁)时的状态。

4. 等待
处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被显式地唤醒，否则会处于无限期等待的状态。

5. 超时等待
处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，不过无须无限期等待被其他线程显示地唤醒，在达到一定时间后它们会自动唤醒。

6. 终止状态
当线程的run()方法完成时，或者主线程的main()方法完成时，我们就认为它终止了。这个线程对象也许是活的，但是，它已经不是一个单独执行的线程。线程一旦终止了，就不能复生。
在一个终止的线程上调用start()方法，会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。

 

调用obj的wait(), notify()方法前，必须获得obj锁，也就是必须写在synchronized(obj) 代码段内。

与等待队列相关的步骤和图

 

同步队列和等待队列的概念：

简单的理解是同步队列存放着竞争同步资源的线程的引用（不是存放线程），而等待队列存放着待唤醒的线程的引用。

我感觉同步队列（应该叫多个启动start（）方法的线程开始竞争锁的一个池）就是存放着 【调用线程的start()方法，此线程进入就绪状态】，就绪状态的线程应该就被放在了同步队列中，竞争CPU的时间片，然后进入运行状态。

 

等待队列

当线程执行了wait()方法，或者LockSupport.park()，则会进入等待队列等待唤醒。

 

同步队列状态

当前线程想调用对象A的同步方法时，发现对象A的锁被别的线程占有，此时当前线程进入同步队列。简言之，同步队列里面放的都是想争夺对象锁的线程。
当一个线程1被另外一个线程2唤醒时，1线程进入同步队列，去争夺对象锁。
同步队列是在同步的环境下才有的概念，一个对象对应一个同步队列。
线程等待时间到了或被notify/notifyAll唤醒后，会进入同步队列竞争锁，如果获得锁，进入RUNNABLE状态，否则进入BLOCKED状态等待获取锁。

 

几个方法的比较

Thread.sleep(long millis)：一定是当前线程调用此方法，当前线程进入TIMED_WAITING状态，但不释放对象锁，millis后线程自动苏醒进入就绪状态。作用：给其它线程执行机会的最佳方式。

Thread.yield()：一定是当前线程调用此方法，当前线程放弃获取的CPU时间片，但不释放锁资源，由运行状态变为就绪状态，让OS再次选择线程。作用：让相同优先级的线程轮流执行，但并不保证一定会轮流执行。实际中无法保证yield()达到让步目的，因为让步的线程还有可能被线程调度程序再次选中。Thread.yield()不会导致阻塞。该方法与sleep()类似，只是不能由用户指定暂停多长时间。
thread.join()/thread.join(long millis)，当前线程里调用其它线程t的join方法，当前线程进入WAITING/TIMED_WAITING状态，当前线程不会释放已经持有的对象锁。线程t执行完毕或者millis时间到，当前线程一般情况下进入RUNNABLE状态，也有可能进入BLOCKED状态（因为join是基于wait实现的）。

obj.wait()：当前线程调用对象的wait()方法，当前线程释放对象锁，进入等待队列。依靠notify()/notifyAll()唤醒或者wait(long timeout) timeout时间到自动唤醒。

obj.notify()：唤醒在此对象监视器上等待的单个线程，选择是任意性的。notifyAll()唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

LockSupport.park()/LockSupport.parkNanos(long nanos),LockSupport.parkUntil(long deadlines), 当前线程进入WAITING/TIMED_WAITING状态。对比wait方法,不需要获得锁就可以让线程进入WAITING/TIMED_WAITING状态，需要通过LockSupport.unpark(Thread thread)唤醒。

 

 

 

 

参考文献

• 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》
• 《Java虚拟机规范 Java SE 8版》
• 《Java并发编程的艺术》
• https://blog.csdn.net/weixin_42052102/article/details/83214682
• https://blog.csdn.net/pange1991/article/details/53860651