一、PC Register介绍

1、官方文档说明

1649509198750-70fbf237-97c8-4fb4-b2c8-3466426563a0

官方地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5.1

2、PC Register概述

1649509198825-aa504002-a325-438b-89cf-0bf4dd3db955

JVM 中的程序计数器（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。

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、PCRegister 介绍

（1）它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运算速度最快的存储区域。

（2）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。

（3）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（undefined）（因为PC寄存器是java层面的，本地方法栈是C/C++层面的）。

（4）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；

（5）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；

（6）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。

4、PC 寄存器作用

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。

1649509198831-a5cae0e7-392c-4c99-a089-67327ec5e84e

二、举例说明

1、案例一

1649509198852-7ce22161-0dfd-446c-b6cf-3753529d17ec

2、案例二

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);

    }
}

1649509199351-4f4c67ae-8156-4d9a-a167-2b058a6e3a84

1649509199800-11b2c1d9-06e5-4f2e-b8ca-80353ff2258c

javap -c -verbose PCRegisterTest

这就是执行过程，前面的0 2 3 5 6 7 8 9···就是程序计数器记录的指令地址（偏移地址），后面一列英文串是操作指令。

执行过程：PC寄存器拿到指令地址，执行引擎根据指令地址读取操作指令，这时候执行引擎要做两个事（1.操作局部变量表，操作数栈。2.翻译成机器指令），之后就可以让CPU对机器指令进行运算

比如10:ldc #2，后面的#2就是常量池中的操作，如下：

1649509199449-9e8dac2f-6dbd-46f0-9470-df43894abadf

#2就是String，然后执行#27，找到#27是赋值操作 =abc 到此10:ldc #2指令执行完毕。

三、两个常见问题

1、问题一

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。

1649509199492-e8f57f8e-434d-4925-af08-8cade95df05e

2、问题二

PC寄存器为什么会被设定为线程私有？

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 会不停的做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如果保证分毫无差呢？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，最好的方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独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

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一条指令。

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。

最好的办法是每个线程分配一个PC寄存器，准确记录各线程正在执行的当前字节码指令地址。

1649509200290-4e059a6d-3f73-4462-8bc7-d27bad42448e

如图，CPU先执行第一个线程（从左数第一个）的第1行指令，执行完之后到第二个线程执行指令2，到第三个线程执行指令3，这时回到第一线程执行下面操作，如何知道执行到哪里？PC寄存器记录该执行第5条指令。以此类推

这里涉及到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为时间片，保证程序运行公平每一个程序轮流在时间片执行

3、CPU时间片[扩展]

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。

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。
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。
1649509200272-5df3b761-0eba-42e2-b0ae-e6084cc1ce13

原文转自：https://www.cnblogs.com/niujifei/p/14616382.html

Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_191-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)

javap -c -verbose PCRegisterTest
Classfile /Users/hehaibo/javabyte/PCRegisterTest.class
  Last modified 2022-4-12; size 448 bytes
  MD5 checksum 24ebf1427b82f0724a54a6c69fbbe721
  Compiled from "PCRegisterTest.java"
public class PCRegisterTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = String             #16            // abc
   #3 = Fieldref           #17.#18        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #5 = Class              #21            // PCRegisterTest
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               PCRegisterTest.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = Utf8               abc
  #17 = Class              #23            // java/lang/System
  #18 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #19 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        // println:(I)V
  #21 = Utf8               PCRegisterTest
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (I)V
{
  public 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 1: 0

  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 3: 0
        line 4: 3
        line 5: 6
        line 7: 10
        line 9: 14
        line 10: 21
        line 12: 28
}
SourceFile: "PCRegisterTest.java"
hhbdeMacBook-Pro:javabyte hehaibo$ javap -c -verbose PCRegisterTest
Classfile /Users/hehaibo/javabyte/PCRegisterTest.class
  Last modified 2022-4-12; size 448 bytes
  MD5 checksum 24ebf1427b82f0724a54a6c69fbbe721
  Compiled from "PCRegisterTest.java"
public class PCRegisterTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = String             #16            // abc
   #3 = Fieldref           #17.#18        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #5 = Class              #21            // PCRegisterTest
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               PCRegisterTest.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = Utf8               abc
  #17 = Class              #23            // java/lang/System
  #18 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #19 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        // println:(I)V
  #21 = Utf8               PCRegisterTest
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (I)V
{
  public 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 1: 0

  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 3: 0
        line 4: 3
        line 5: 6
        line 7: 10
        line 9: 14
        line 10: 21
        line 12: 28
}
SourceFile: "PCRegisterTest.java"

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