程序计数器(PC寄存器)

PC寄存器介绍

官方文档网址：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

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；如果是在执行native方法，则是未指定值（undefned）。
   1. native 关键字告诉编译器（其实是JVM）调用的是该方法在外部定义，这里指的是C。
   2. Java的不足除了体现在运行速度上要比传统的C++慢许多之外，Java无法直接访问到操作系统底层（如系统硬件等)，为此Java使用native方法来扩展Java程序的功能。
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（内存溢出）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

   ```java 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：https://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/88351875

结果：

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.”“:()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

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 // ““:()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.”“:()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 //取数10 2: istore_1 //保存 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
• 右边是操作指令，在学习虚拟机栈时再详细介绍
• 执行引擎会从PC寄存器中读取下一条指令的地址，继而进行操作

两个面试题

问题1：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，PC寄存器就在此时起到记录将要执行的指令的地址，当切换回此线程时根据PC寄存器中保存的这个地址，CPU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

VMS : 虚拟机栈； NMS : 本地方法栈

问题 2：PC寄存器为什么被设定为线程私有的？

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。

问题 3：串行，并行和并发

1. 串行和并行是一组，串行是一条流水线上前后执行，并行是多条流水线上同时执行
2. 并发是由于时间片，CPU在各个线程间快速切换执行，多线程交替执行，看上去像并行其实不是

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。