2022-10-17 09:52 Java 发布于湖南

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Java线程运行原理详解

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

/**
 * 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

/**
 * 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;
    }
}