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3. 运行时数据区概述及线程

abstract

运行时数据区（Runtime Data Areas）是指在程序在运行过程中，由Java虚拟机（JVM）管理的各种内存空间。这些数据区域主要用于存储程序运行时所需的数据，包括程序的字节码、类信息、对象实例、方法等。在Java虚拟机规范中，主要的运行时数据区包括以下几个部分：程序计数器（Program Counter）、Java虚拟机栈（JVM Stacks）、堆（Heap）、方法区（Method Area）、运行时常量池（Runtime Constant Pool）、本地方法栈（Native Method Stack）。

后面的 4~8 章，都属于运行时数据区部分。

3.1 概述​

本节主要讲的是运行时数据区，也就是下图这部分，它是在类加载完成后的阶段

当我们通过前面的：类的加载 →\to 验证 →\to 准备 →\to 解析 →\to 初始化 这几个阶段完成后，就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区

运行时数据区.png
运行时数据区.png

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（对于 Hotspot 主要指方法区）

JVM结构.png
JVM结构.png
笔记

[元空间] 和 [CodeCache JIT 编译产物] 都可以称为非堆空间。

元数据区是 JDK1.8 后的划分，对应以前版本的永久代（或方法区，Method Area）。

Java虚拟机定了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。

如图，灰色的区域为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的，即

  • 每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈
  • 线程间共享：堆、堆外内存（方法区、永久代或元空间、代码缓存）
线程私有与共享.png
线程私有与共享.png
笔记
  • PC：程序计数器
  • VMS：(Java Virtual Machine Stack) 虚拟机栈
  • NMS：(Native Method Stack) 本地方法栈

每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框：运行时环境。

java.lang.Runtime

java.lang.Runtime 为虚拟机的运行时信息，通过 Runtime.getRuntime() 获取。每个进程一份，单例模式。

public class RuntimeTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 向程序中添加一个关闭钩子，当JVM关闭时会调用此钩子
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("程序运行结束")));
    }
}
java

3.2 线程​

  • 线程是一个程序里的运行单元，JVM 允许一个程序有多个线程并行的执行；
  • 在 HotSpot JVM，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。
    • 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。（即对应操作系统中的内核线程，JVM 并不是通过用户线程实现的多线程）
  • 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.
笔记

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。

这个准备工作就是，涉及到线程中的 PC 计数器、栈结构、缓存分配、本地存储等准备工作

笔记
  • 守护线程、普通线程
    • 如果当前虚拟机中只剩下守护线程，虚拟机就可以正常退出了。
    • 如果这个线程就是虚拟机的最后一个非守护线程，虚拟机也可以正常退出。
Thread
Thread
笔记

Java API Documentation

3.3 JVM系统线程​

  • 如果你使用 jconsole 或者任何一个调试工具，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[]) 方法的 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：这种线程的操作时需要 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提现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
    • GC线程：这种线程对于 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降字节码编译成本地代码
    • 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。