程序计数器 (PC 寄存器)

PC 寄存器介绍

官方文档网址：Chapter 2. The Structure of the Java Virtual Machine (oracle.com) (opens new window)

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。

PC 寄存器的作用

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，并执行该指令。

举例

public class PCRegisterTest {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;
        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);
    }
}

查看字节码

看字节码的方法：Java 以及 IDEA 下查看字节码的五种方法_怎么看文件字节码 - CSDN 博客 (opens new window)

Classfile /F:/IDEAWorkSpaceSourceCode/JVMDemo/out/production/chapter04/com/atguigu/java/PCRegisterTest.class
  Last modified 2020-11-2; size 675 bytes
  MD5 checksum 53b3ef104479ec9e9b7ce5319e5881d3
  Compiled from "PCRegisterTest.java"
public class com.atguigu.java.PCRegisterTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#26         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = String             #27            // abc
   #3 = Fieldref           #28.#29        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = Methodref          #30.#31        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #5 = Class              #32            // com/atguigu/java/PCRegisterTest
   #6 = Class              #33            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/atguigu/java/PCRegisterTest;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               i
  #19 = Utf8               I
  #20 = Utf8               j
  #21 = Utf8               k
  #22 = Utf8               s
  #23 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #24 = Utf8               SourceFile
  #25 = Utf8               PCRegisterTest.java
  #26 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #27 = Utf8               abc
  #28 = Class              #34            // java/lang/System
  #29 = NameAndType        #35:#36        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #30 = Class              #37            // java/io/PrintStream
  #31 = NameAndType        #38:#39        // println:(I)V
  #32 = Utf8               com/atguigu/java/PCRegisterTest
  #33 = Utf8               java/lang/Object
  #34 = Utf8               java/lang/System
  #35 = Utf8               out
  #36 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #37 = Utf8               java/io/PrintStream
  #38 = Utf8               println
  #39 = Utf8               (I)V
{
  public com.atguigu.java.PCRegisterTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/atguigu/java/PCRegisterTest;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=5, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: ldc           #2                  // String abc
        12: astore        4
        14: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        17: iload_1
        18: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        21: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        24: iload_3
        25: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        28: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 3
        line 12: 6
        line 14: 10
        line 15: 14
        line 16: 21
        line 18: 28
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      29     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      26     1     i   I
            6      23     2     j   I
           10      19     3     k   I
           14      15     4     s   Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "PCRegisterTest.java"

• 左边的数字代表指令地址（指令偏移），即 PC 寄存器中可能存储的值，然后执行引擎读取 PC 寄存器中的值，并执行该指令

两个面试题

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

1. 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
2. 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。

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。

笔记

• 并行（Parallelism）：

  • 定义：并行是指两个或多个任务在同一时刻被执行。这通常需要多个处理器或多核处理器，使得每个核心可以同时执行不同的任务。

  • 应用场景：并行处理在需要大量数据处理和计算密集型任务的场景中非常有用，比如科学计算、图像处理等。

  • 优点：能够显著提高处理速度，因为多个任务是真正同时进行的。

  • 缺点：需要具备并行处理能力的硬件支持，如多核处理器。此外，并行编程可能会增加程序的复杂性，尤其是在处理资源共享和同步问题时。

• 并发（Concurrency）：

  • 定义：并发是指系统能够处理多个任务的能力，但这些任务可能并不是真正同时执行的。在单核处理器上，通过任务之间快速切换（时间分片）给人一种多个任务同时执行的错觉。

  • 应用场景：并发在需要处理多个同时发生的任务的场景中非常有用，比如 Web 服务器处理多个并发请求。

  • 优点：可以在单核或多核处理器上实现，提高了资源的利用率和系统的响应速度。

  • 缺点：并发编程需要处理好任务之间的交互和同步问题，可能会引起死锁、竞态条件等问题。