DEBUG方式線程的底層運(yùn)行原理是什么

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)DEBUG方式線程的底層運(yùn)行原理是什么，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。

一、Java 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

友情提示：這部分內(nèi)容可能大部分同學(xué)都有一定的了解了，可以跳過(guò)直接進(jìn)入下一小節(jié)哈。

Java 虛擬機(jī)在執(zhí)行 Java 程序的過(guò)程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，這些區(qū)域都有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時(shí)間。

全文我們都將以 JDK 7 的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域?yàn)槔?/p>

先簡(jiǎn)單解釋下線程共享和線程私有是啥意思。

所謂線程私有，通俗來(lái)說(shuō)就是每個(gè)線程都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)屬于自己的東西，每個(gè)線程之間的這塊私有區(qū)域互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)。比如程序計(jì)數(shù)器就是線程私有的，每個(gè)線程都會(huì)擁有一個(gè)屬于自己的程序計(jì)數(shù)器，互不干涉。

線程共享就沒(méi)啥好說(shuō)的，簡(jiǎn)單理解為公共場(chǎng)所，誰(shuí)都能去，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)所有線程都能訪問(wèn)。

OK，然后我們來(lái)逐個(gè)分析下每個(gè)區(qū)域都是用來(lái)存儲(chǔ)什么的。當(dāng)然了，這里不會(huì)做太多詳細(xì)的說(shuō)明，不然會(huì)使文章顯得非常臃腫，在理解本文的基礎(chǔ)上能夠讓大家對(duì)各個(gè)區(qū)域有基本的認(rèn)知就好了。

首先來(lái)看一下線程共享的兩個(gè)區(qū)域：

1）Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。這一點(diǎn)在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配。

2）方法區(qū)（Method Area）與 Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

很多人習(xí)慣的把方法區(qū)稱為永久代（Permanent Generation），但實(shí)際上這兩者并不等價(jià)。通俗來(lái)說(shuō)，方法區(qū)是一種規(guī)范，而永久代是 HotSpot 虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)這個(gè)規(guī)范的一種手段，對(duì)于其他虛擬機(jī)（比如 BEA JRockit、IBM J9 等）來(lái)說(shuō)是不存在永久代的概念的。

另外，對(duì)于 HotSpot 虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，它在 JDK 8 中完全廢棄了永久代的概念，改用與 JRockit、J9 一樣在本地內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)的元空間（Meta-space）來(lái)代替，把 JDK 7 中永久代還剩余的內(nèi)容（主要是類型信息）全部移到元空間中。

再來(lái)看看線程私有的三個(gè)區(qū)域：

1）虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）其實(shí)是由一個(gè)一個(gè)的棧幀（Stack Frame）組成的，一個(gè)棧幀描述的就是一個(gè) Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。也就是說(shuō)每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法的返回地址等信息。

每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程，當(dāng)然，出棧的順序自然是遵守棧的后進(jìn)先出原則的。

棧幀的概念在接下來(lái)的原理解析部分非常重要，各位務(wù)必搞懂哈。

2）本地方法棧（Native Method Stack）和上面我們所說(shuō)的虛擬機(jī)棧作用基本一樣，區(qū)別只不過(guò)是本地方法棧為虛擬機(jī)使用到的 Native 方法服務(wù)，而虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)。

這里解釋一下 Native 方法的概念，其實(shí)不僅 Java，很多語(yǔ)言中都有這個(gè)概念。

"A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code."

就是說(shuō)一個(gè) Native 方法其實(shí)就是一個(gè)接口，但是它的具體實(shí)現(xiàn)是在外部由非 Java 語(yǔ)言寫的。所以同一個(gè) Native 方法，如果用不同的虛擬機(jī)去調(diào)用它，那么得到的結(jié)果和運(yùn)行效率可能是不一樣的，因?yàn)椴煌奶摂M機(jī)對(duì)于某個(gè) Native 方法都有自己的實(shí)現(xiàn)，比如 Object 類的 hashCode 方法。

這使得 Java 程序能夠超越 Java 運(yùn)行時(shí)的界限，有效地?cái)U(kuò)充了 JVM。

3）程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

由于 Java 虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)輪流分配 CPU 時(shí)間片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器。

那么程序計(jì)數(shù)器里存的到底是什么東西呢？

《深入理解 Java 虛擬機(jī)：JVM 高級(jí)實(shí)踐與最佳實(shí)戰(zhàn) - 第 2 版》給出了答案：如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè) Java 方法，程序計(jì)數(shù)器中記錄的就是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是 Native 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。

二、用 DEBUG 的方式看線程運(yùn)行原理

接下來(lái)，我們就通過(guò) DEBUG 這段代碼來(lái)看下線程的運(yùn)行原理：

上述代碼的邏輯非常簡(jiǎn)單，main 方法調(diào)用了 method1 方法，而 method1 方法又調(diào)用了 method2 方法。

看下圖，我們打了一個(gè)斷點(diǎn)：

OK，以 DEBUG 的方式運(yùn)行 Test.main()，雖然這里我們沒(méi)有顯示的創(chuàng)建線程，但是 main 函數(shù)的調(diào)用本身就是一個(gè)線程，也被稱為主線程（main 線程），所以我們一啟動(dòng)這個(gè)程序，就會(huì)給這個(gè)主線程分配一個(gè)虛擬機(jī)棧內(nèi)存。

上文我們也說(shuō)了，虛擬機(jī)棧內(nèi)存其實(shí)就是個(gè)殼兒，里面真正存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，其實(shí)是一個(gè)一個(gè)的棧幀，每個(gè)方法都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀。

所以當(dāng)主線程調(diào)用 main 方法的時(shí)候，就會(huì)為 main 方法生成一個(gè)棧幀，其中存儲(chǔ)了局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法的返回地址等信息。

各位現(xiàn)在可以看看 DEBUG 窗口顯示的界面：

左邊的 Frames 就是棧幀的意思，可以看見(jiàn)現(xiàn)在主線程中只有一個(gè) main 棧幀；

右邊的 Variables 就是該棧幀存儲(chǔ)的局部變量表，可以看到現(xiàn)在 main 棧幀中只有一個(gè)局部變量，也就是方法參數(shù) args。

1）Step Over：F8

程序向下執(zhí)行一行，如果當(dāng)前行有方法調(diào)用，這個(gè)方法將被執(zhí)行完畢并返回，然后到下一行

2）Step Into：F7

程序向下執(zhí)行一行，如果該行有自定義方法，則運(yùn)行進(jìn)入自定義方法（不會(huì)進(jìn)入官方類庫(kù)的方法）

3）Force Step Into：Alt + Shift + F7

程序向下執(zhí)行一行，如果該行有自定義方法或者官方類庫(kù)方法，則運(yùn)行進(jìn)入該方法（也就是可以進(jìn)入任何方法）

4）Step Out：Shift + F8

如果在調(diào)試的時(shí)候你進(jìn)入了一個(gè)方法，并覺(jué)得該方法沒(méi)有問(wèn)題，你就可以使用 Step Out 直接執(zhí)行完該方法并跳出，返回到該方法被調(diào)用處的下一行語(yǔ)句。

5）Drop frame

點(diǎn)擊該按鈕后，你將返回到當(dāng)前方法的調(diào)用處重新執(zhí)行，并且所有上下文變量的值也回到那個(gè)時(shí)候。只要調(diào)用鏈中還有上級(jí)方法，可以跳到其中的任何一個(gè)方法。

OK，我們點(diǎn)擊 Step Into 進(jìn)入 method1 方法，可以看到，虛擬機(jī)棧內(nèi)存中又多出了一個(gè) method1 棧幀：

再點(diǎn)擊 Step Into 直到進(jìn)入 method2 方法，于是虛擬機(jī)棧內(nèi)存中又多出了一個(gè) method2 棧幀：

當(dāng)我們 Step Into 走到 method2 方法中的 return n 語(yǔ)句后，n 指向的堆中的地址就會(huì)被返回給 method1 中的 m，并且，滿足棧后進(jìn)先出的原則，method2 棧幀會(huì)從虛擬機(jī)棧內(nèi)存中被銷毀。

然后點(diǎn)擊 Step Over 執(zhí)行完輸出語(yǔ)句（Step Into 會(huì)進(jìn)入 println 方法，Force Step Into 會(huì)進(jìn)入 Object.toString 方法）

至此，method1 的使命全部完成，method1 棧幀會(huì)從虛擬機(jī)棧內(nèi)存中被銷毀。

最后再往下走一步，main 棧幀也會(huì)被銷毀，這里就不再貼圖了。

三、線程運(yùn)行原理詳細(xì)圖解

上面寫了這么多，其實(shí)也就是教會(huì)了大家棧幀這個(gè)東西，接下來(lái)我們通過(guò)圖解的方式，來(lái)帶大家詳細(xì)看看線程運(yùn)行時(shí)，Java 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域的各種變化。

首先第一步，類加載。

《深入理解 Java 虛擬機(jī)：JVM 高級(jí)實(shí)踐與最佳實(shí)戰(zhàn) - 第 2 版》中是這樣解釋類加載的：虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從 Class 文件（字節(jié)碼文件）加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的 Java 類型，這就是虛擬機(jī)的類加載機(jī)制。

而加載進(jìn)來(lái)的這些字節(jié)碼信息，就存儲(chǔ)在方法區(qū)中。看下圖，這里為了各位理解方便，我就不寫字節(jié)碼了，直接按照代碼來(lái)，大家知道這里存的其實(shí)是字節(jié)碼就行：

主線程調(diào)用 main 方法，于是為該方法生成一個(gè) main 棧幀：

那么這個(gè)參數(shù) args 的值從哪里來(lái)呢？沒(méi)錯(cuò)，就是從堆中 new 出來(lái)的：

而 main 方法的返回地址就是程序的退出地址。

再來(lái)看程序計(jì)數(shù)器，如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè) Java 方法，程序計(jì)數(shù)器中記錄的就是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址，也就是說(shuō)此時(shí) method1(10) 對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼指令的地址會(huì)被放入程序計(jì)數(shù)器，圖片中我們?nèi)匀灰跃唧w的代碼代替哈，大家知道就好：

OK，CPU 根據(jù)程序計(jì)數(shù)器的指示，進(jìn)入 method1 方法，自然，method1 棧幀就被創(chuàng)建出來(lái)了：

局部變量表和方法返回地址安頓好后，就可以開(kāi)始具體的方法調(diào)用了，首先 10 會(huì)被傳給 x，然后走到 y 被賦值成 x + 1 這步，也就是程序計(jì)數(shù)器會(huì)被修改成這步代碼對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼指令的地址：

走到 Object m = method2(); 這一步的時(shí)候，又會(huì)創(chuàng)建一個(gè) method2 棧幀：

可以看到，method2 方法的第一行代碼會(huì)在堆中創(chuàng)建一個(gè) Object 對(duì)象：

隨后，走到 method2 方法中的 return n; 語(yǔ)句，n 指向的堆中的地址就會(huì)被返回給 method1 中的 m，并且，滿足棧后進(jìn)先出的原則，method2 棧幀會(huì)從虛擬機(jī)棧內(nèi)存中被銷毀：

根據(jù) method2 棧幀指向的方法返回地址，我們接著執(zhí)行 System.out.println(m.toString()) 這條輸出語(yǔ)句，執(zhí)行完后，method1 棧幀也被銷毀了：

再根據(jù) method1 棧幀指向的方法返回地址，發(fā)現(xiàn)我們的程序已走到了生命的盡頭，main 棧幀于是也被銷毀了，就不再貼圖了。

四、用 DEBUG 的方式看多線程運(yùn)行原理

上面說(shuō)的是只有一個(gè)線程的情況，其實(shí)多線程的原理也差不多，因?yàn)樘摂M機(jī)棧是每個(gè)線程私有的，大家互不干涉，這里我就簡(jiǎn)單的提一嘴。

分別在如下兩個(gè)位置打上 Thread 類型的斷點(diǎn)：

然后以 DEBUG 方式運(yùn)行，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)互不干涉的虛擬機(jī)?？臻g：

當(dāng)然，使用多線程就不可避免的會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，那就是線程的上下文切換（Thread Context Switch），就是說(shuō)因?yàn)槟承┰驅(qū)е?CPU 不再執(zhí)行當(dāng)前的線程，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)線程。

導(dǎo)致線程上下文切換的原因大概有以下幾種：

1）線程的 CPU 時(shí)間片用完

2）發(fā)生了垃圾回收

3）有更高優(yōu)先級(jí)的線程需要運(yùn)行

4）線程自己調(diào)用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

當(dāng)線程的上下文切換發(fā)生時(shí)，也就是從一個(gè)線程 A 轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)線程 B 時(shí)，需要由操作系統(tǒng)保存當(dāng)前線程 A 的狀態(tài)（為了以后還能順利回來(lái)接著執(zhí)行），并恢復(fù)另一個(gè)線程 B 的狀態(tài)。

這個(gè)狀態(tài)就包括每個(gè)線程私有的程序計(jì)數(shù)器和虛擬機(jī)棧中每個(gè)棧幀的信息等，顯然，每次操作系統(tǒng)都需要存儲(chǔ)這么多的信息，頻繁的線程上下文切換勢(shì)必會(huì)影響程序的性能。

關(guān)于DEBUG方式線程的底層運(yùn)行原理是什么就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。