详解JVM运行时数据区之程序计数器

阅读前思考

• 说一下 JVM 运行时数据区吧，都有哪些区？分别是干什么的？
• Java 8 的内存分代改进
• 举例栈溢出的情况？
• 调整栈大小，就能保存不出现溢出吗？
• 分配的栈内存越大越好吗？
• 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
• 方法中定义的局部变量是否线程安全？

运行时数据区

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。

下图是 JVM 整体架构，中间部分就是 Java 虚拟机定义的各种运行时数据区域。

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，这些与线程一一对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

• 线程私有：程序计数器、栈、本地栈
• 线程共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

程序计数器

程序计数寄存器（Program Counter Register），Register 的命名源于 CPU 的寄存器，寄存器存储指令相关的线程信息，CPU 只有把数据装载到寄存器才能够运行。

这里，并非是广义上所指的物理寄存器，叫程序计数器（或PC计数器或指令计数器）会更加贴切，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。

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，若当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为Undefined。

作用

• 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制。
• 在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了。

（分析：进入class文件所在目录，执行 javap -v xx.class 反解析（或者通过 IDEA 插件 Jclasslib 直接查看，上图），可以看到当前类对应的Code区（汇编指令）、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等信息。）

概述

• 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。如果当前线程正在执行的是 Java 方法，程序计数器记录的是 JVM 字节码指令地址，如果是执行 natice 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下一条需要执行的字节码指令
• 它是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域

👨‍💻：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。

👨‍💻：PC寄存器为什么会被设定为线程私有的？ 🙋‍♂️：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。为了能够准确的记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，所以为每个线程都分配了一个PC寄存器，每个线程都独立计算，不会互相影响。

《深入理解 Java 虚拟机 第三版》

宋红康老师的 JVM 教程