JVM之运行时数据区（一）：程序计数器+本地方法栈

1.运行时数据区概述

Java虚拟机定义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。

单独线程私有的：包括程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。

多个线程共享：堆、方法区——堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

每个JVM只有一个Runtime实例，即为运行时环境，运行时数据区。

JVM中的线程

• 线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的 执行。
• 在Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，java线程与本地线程有一个一一对应的关系
  • 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。

JVM 系统线程

如果你使用jconsole或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用public static void main（String[]）的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程。

这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个：

• 虚拟机线程：这种线程的操作是需要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。这种线程的执行类型包括“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体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
• GC线程：这种线程对在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将字节码编译成到本地代码。
• 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。

2.程序计数器

这里并非是广义上所指的物理存器，也称为程序钩子或指令计数器，JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

作用

PC寄存器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。

特点

• 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。

• 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，如果是在执行本地方法，则是未指定值。

• 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、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下一条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outotMemoryError情况的区域，并且也没有GC（垃圾回收）

常见问题

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

3.本地方法接口

本地方法

简单地讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口，Native Method是这样一个Java方法：该方法的实现由非Java语言实现比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如C++中，你可以用extern “c” 告知C++编译器去调用一个C的函数。

在定义一个native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其实现体是由非java语言在外面实现的

本地接口

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

使用Native Method的原因：
Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，就出现问题了
与Java环境外交互：
有时Java应用需要与Java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因，你可以想想Java需要与一些底层系统，如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解Java应用之外的细节

与操作系统交互：
JVM支持着java语言本身和运行时库，它是Java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一些底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。**通过使用本地方法，我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用C写的。**还有，如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法。
Sun’s Java：
**Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。**jre大部分是用Java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如：类java.lang.Thread的setPriority() 方法是用Java实现的，但是它实现调用的是该类里的本地方法setPriority0()。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在Windows 95的平台上，这个本地方法最终将调用win32 Setpriority() API。这是一个本地方法的具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库提供，然后被JVM调用。

4.本地方法栈

特点

Java虚拟机用于管理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扩展的内存大小。（在内存溢出方面是相同的）
  • 如果线程请求分配的容量超过本地方法允许的最大容量，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（执行引擎） 执行时加载本地方法库。

注意：

• 当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HotspotM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一