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Java
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04.并发编程之线程运行原理
Leefs
2022-10-06 PM
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[TOC] ### 一、概念介绍 + **方法区**：是虚拟机中一块线程共享的内存区域，用于存储类信息、常量池、静态变量、编译后的字节码等。 + **堆**：是虚拟机中最大的一块线程共享的内存区域，堆是 Java 内存管理的核心区域，所有的对象实例和数组都在堆中分配内存。 + **虚拟机栈**：是线程私有的内存区域。虚拟机栈的内存空间是给线程使用的，每启动一个线程，虚拟机都为其分配一块栈内存空间，虚拟机栈中可以存在多个栈帧。 + **栈帧**：每个线程分配的虚拟机栈内存区域由多个栈帧（Frame）组成，栈帧对应着每个方法调用时所占用的内存；每个栈帧是由局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回值地址等组成。  + **程序计数器**：是一块内存很小的线程私有的内存空间，每个线程都有自己的程序计数器。任何时间一个线程都只有一个方法在执行，程序计数器会记录当前执行方法中的 `JVM` 指令地址，用于控制程序的正确执行。程序的分支、跳转、循环、异常以及线程切换都需要依靠程序计数器来完成。 ### 二、栈与栈帧关系 **Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）** `JVM` 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给线程使用的，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。 - 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存； - 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； - 每个栈帧是由局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回值地址等组成。 **虚拟机栈与栈帧的关系如下：**  ### 三、栈帧DEBUG #### 3.1 代码示例 ```java /** * Created by lilinchao * Date 2022/10/6 * Description 方法调用时栈帧变化 */ public class TestFrames { public static void main(String[] args) { method1(10); } private static void method1(int x) { int y = x + 1; Object m = method2(); System.out.println(m); } private static Object method2() { Object n = new Object(); return n; } } ``` #### 3.2 DEBUG步骤详解 **（1）在`method1(10);`方法上打断点，然后通过Debug方式运行程序**  + Frames中包函所有的栈帧 + Variables中是每个栈帧中对应的局部变量 刚启动程序，只有一个main线程，main 方法的参数是一个String 数组，参数名称为`args`，此时 Variables 变量表中有一个 args={String[0]@620}，数组对象的大小为 0。 **（2）通过`Step into`(快捷键F7)进入到静态方法`method1(10)`**  此时线程栈栈帧表 Frames 中有两个栈帧，`method1` 的栈帧中有一个局部变量 `x=10`,局部变量初始值是从main方法中传递而来。 **（3）在继续`Step into`执行代码`int y = x + 1;`**  此时在栈帧`method1`中增加一个局部变量y,并被赋值为11 **（4）在继续`Step into`，程序进入到`method2()`方法**  此时Frames中增加一个栈帧`method2`,`method2` 的栈帧中有一个局部变量 n，该局部变量是在 `method2` 中实例化的 Object 对象。 *从这我们就可以看出，程序每调用一个方法，就会在栈帧表中多增加一个相应的栈帧* **（5）`Step into`继续向下执行**  `method1`中调用`method2`方法结束，此时 Frames 中只有 `method1` 和 main 方法两个栈帧，`method2` 方法由于运行结束方法返回后，就会弹栈（出栈）。并且`method2`方法将自身创建的Object对象作为参数返回给`method1`方法中的局部变量m。 **（6）接下来，程序执行`System.out.println(m);`在控制台输出相应信息** **（7）继续`Step into`，`method1`方法调用结束**  此时Frames 中只有main方法一个栈帧，`method1` 方法由于运行结束，就会弹栈（出栈） **（8）最后main方法运行结束出栈，程序运行结束** #### 3.3 总结 从上面通过一步步Debug查看代码执行过程可以得出以下两个结论： + 程序每调用一个方法，就会在栈帧表（Frames ）中增加一个相应的栈帧； + 当方法运行结束方法返回后，就会弹栈（出栈）。 ### 四、栈帧图解 由与Debug的局限性，还是不能够深入的理解整个线程的运行流程，以及内部栈帧的组成，接下来，通过图解的方式，将上方示例代码运行过程在进行详细说明，方便对线程的运行流程进行理解。 **（1）类加载过程**  + 执行类加载，将`TestFrames`类中的字节码加载到Java的虚拟机**方法区**的内存当中； + 为了便于理解，上图的方法区当中没有放入java类的字节码，而是放入了java的源代码； **（2）运行主线程** 当类加载完成之后，CPU会开始运行主线程当中的代码  + 最开始执行 main 函数，此时虚拟机栈中会为 main 线程分配一块栈内存供 main 线程运行（main 线程栈）， main 线程栈中会压入一个 main 函数栈帧； + main 函数拥有一个 String[] args 局部变量，因此局部变量表中 args 指向一个堆中的 String 数组（局部变量表会在方法运行之前就创建完成，分配好内存）； + main函数的返回地址就是程序退出地址，当程序运行结束会自动退出。 **（3）method1方法调用**  + 主函数中调用`method1`方法，此时在main线程栈中会压入一个 `method1` 函数栈帧； + `method1` 函数中有三个局部变量，分别是 x、y、m， x 的值由方法传递已知，因此 x=10； + 向下执行程序`int y = x + 1;`,此时会将该行代码加载到程序计数器，局部变量y会被赋值为11； **（4）method2方法调用**  + 执行程序`Object m = method2();`，此时调用`method2`方法，将 `method2` 函数栈帧压入main线程栈当中； + 程序向下执行`method2`方法中的代码`Object n = new Object();`，将该行代码加载到程序计数器； + 此时在堆内存中创建了一个 Object 对象，并且将对象地址赋值给 n 引用。 **（5）执行method2中的return方法**  + 程序计数器加载程序`return n;`将Object对象的引用地址传递给m,此时m的引用地址指向堆中的Object对象； + `method2`调用结束，因此`method2` 函数栈帧将会从main线程栈中出栈； + 程序重新返回到`method1`方法m的位置； **（6）method1方法执行结束**  + 当打印方法执行结束，此时method1中的方法也执行完毕，`method1` 函数栈帧从main线程栈中出栈； + 线程来到主函数。 **（7）主函数执行结束，出栈，程序执行完毕** ### 五、多线程执行逻辑 #### 5.1 示例代码 ```java /** * Created by lilinchao * Date 2022/10/6 * Description 多线程方法调用时栈帧变化 */ public class TestFrames { public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(){ @Override public void run() { method1(20); } }; t1.setName("t1"); t1.start(); method1(10); } private static void method1(int x) { int y = x + 1; Object m = method2(); System.out.println(m); } private static Object method2() { Object n = new Object(); return n; } } ``` #### 5.2 执行步骤 **（1）分别在主线程和`t1线程`的`method1`方法上打断点**  **（2）通过Debug模式启动程序**  + 在断点处鼠标右击，将程序的Debug模式由All切换成Thread,在点击Done确定修改 *两个断点处都进行上述修改* **（3）切换栈帧**  + main线程和t1线程两个线程的栈帧都是相互独立的，通过上图的下拉框可以切换到相应的栈帧进行Debug运行 *剩下的部分和上文中的第三部分《栈帧DEBUG》相同，本篇将不在过多介绍* ### 六、线程上下文切换（Thread Context Switch） 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 当 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，是线程私有的 - 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 - Context Switch 频繁发生会影响性能
标签:
并发编程
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