多线程-03-线程运行的原理

一、JVM的组成

• JVM（Java虚拟机）主要由类加载器（ClassLoader）、运行时数据区、执行引擎（Execution Engine）、本地接口（Native Interface） 四个部分组成：

1. 类加载器（ClassLoader）：负责加载.class文件。
   • ClassLoader负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由执行引擎（Execution Engine）决定。
2. 运行时数据区：
   • 堆（Heap）：Java虚拟机所管理的内存中最大的一块区域，用于存放对象实例和数组。堆内存是线程共享的，并且是垃圾回收器的主要工作区域。堆被划分为新生代和老年代，新生代主要用来存储新创建的对象和尚未进入老年代的对象，老年代则存储经过多次新生代垃圾回收仍然存活的对象。
   • 方法区（Method Area）：也被称为“永久代”或“非堆”，是各个线程共享的区域。它用于存储虚拟机加载的类的信息、常量、静态变量等。在JDK8及以后，永久代被移除，方法区被移到了本地内存中，即元空间（Meta Space）。
   • 虚拟机栈（VM Stack）：描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法被执行时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表（包括参数）、操作栈、方法出口等信息。虚拟机栈是线程私有的，生命周期和线程相同。
   • 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈类似，但它是为Native方法服务的。Native方法是Java调用非Java代码的接口，本地方法栈在内存中专门开辟了一块区域来处理标记为native的代码。
   • 程序计数器（Program Counter Register）：每个线程都有一个程序计数器，它是一个指针，指向方法区中的方法字节码（即下一个将要执行的指令代码）。程序计数器是线程私有的，并且是非常小的内存空间。
3. 执行引擎（Execution Engine）：负责执行装载在类的方法中的指令。执行引擎是Java虚拟机的最核心组件之一，现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。
4. 本地接口（Native Interface）：允许Java代码与其他语言（如C、C++）编写的代码进行交互。本地接口在内存中专门开辟了一块区域来处理标记为native的代码，并在执行时加载相应的本地库。

1、运行时数据区的组成

二、线程运行的原理

1、栈和栈帧

1. 栈（Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈））
2. 原理：每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存着一个个栈帧（Stack Frame），每个栈帧对应着一个方法的调用和执行。
   • 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，每个栈帧对应着每次方法调用时所占用的内存（每调用一个方法，就会产生一个栈帧）。
   • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法。（执行完对应的方法，该方法对应的栈帧就会被销毁）

• 线程的栈内存是相互独立的，每个线程都有自己独立的栈内存，也就是说每个线程都有自己的栈帧

2、线程上下文切换（Thread Context Switch）

1. 产生线程上下文切换的原因：因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码：
   • 线程的 cpu 时间片用完
   • 垃圾回收
   • 有更高优先级的线程需要运行
   • 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法
2. 当线程上下文切换（Context Switch） 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，程序计数器是线程私有的。
   • 线程的状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
   • 线程上下文切换（Context Switch） 频繁发生会影响性能