JVM虚拟机运行时数据区程序计数器和元空间和线程控制块

阅读前提是对虚拟机有一定的理解

16.堆、(方法区)元空间、虚拟机栈、程序计数器、本地方法栈

16.1每个线程私有pc、vms、nms,共享 堆和堆外空间（元空间等）

1.虚拟机中运行时数据区中的方法区被元空间取代

在 Java 虚拟机（JVM）规范的最新版本中，方法区（Method Area）已经被移除。在 JDK 8 及之前的版本中，方法区是 Java 虚拟机的一部分，用于存储类的结构信息、常量池、静态变量、即时编译器编译后的代码等。

然而，从 JDK 8 开始，方法区被替代为元空间（Metaspace）。元空间也是运行时数据区的一部分，用于存储类的结构信息、常量池、静态变量等。与方法区不同的是，元空间并不在虚拟机内存中，而是使用本地内存来实现，因此不受虚拟机堆大小的限制，可以根据需要动态调整大小。

元空间的引入主要解决了方法区的一些问题，例如常量池和静态变量容易出现内存溢出的情况。同时，元空间还提供了更好的性能和灵活性，可以通过命令行参数来调整初始大小和最大大小，并且对于大量的类和字符串的加载，元空间的性能表现更好。

总结起来，方法区已经被元空间所取代，在 Java 虚拟机的运行时数据区中，元空间用于存储类的结构信息、常量池、静态变量等，并使用本地内存来实现。

2. 用于存储类的结构信息、常量池、静态变量等 具体在创建java代码中类的对象时 指的是哪个属性或者定义的信息

在创建 Java 代码中的类的对象时，元空间主要存储以下信息：

1. 类的结构信息：包括类的方法、字段、父类、接口等。这些信息描述了类的结构和行为。

2. 常量池（Constant Pool）：常量池是一种特殊的数据结构，用于存储类中的字面量、符号引用和其他常量。例如，字符串常量、数字常量、类名、方法名等都会被存储在常量池中。

3. 静态变量（Static Variables）：静态变量是在类加载过程中被初始化并分配内存的变量，它们属于类而不是对象。静态变量存储在元空间中，可以被所有该类的对象共享。

以下是一个示例代码，说明了类的结构信息、常量池和静态变量在元空间中的存储：

public class MyClass {
    private int myField;      // 实例变量

    public static int staticField;  // 静态变量

    public void myMethod() {   // 实例方法
        int localVar = 10;     // 局部变量
        System.out.println("Instance method");
    }

    public static void staticMethod() {   // 静态方法
        int localVar = 20;     // 局部变量
        System.out.println("Static method");
    }
}

在上述代码中，当类 MyClass 被加载到 JVM 中时，它的结构信息、常量池和静态变量将被存储在元空间中。每个实例对象在堆中分配内存，可以访问类的结构信息和常量池中的内容，但它们共享静态变量。

需要注意的是，实例变量和局部变量并不存储在元空间中，而是在每个对象的堆内存或线程栈上进行分配和存储。元空间主要负责存储类相关的信息。

3.虚拟机中堆区和元空间区别

在 Java 虚拟机中，堆区和元空间是两个不同的区域，它们分别用于存储不同类型的数据。

堆区是 Java 虚拟机中最大的一块内存区域，用于存储对象实例和数组等动态分配的内存。在 Java 程序中，所有的对象都要在堆区中进行分配和回收。堆区的大小可以通过命令行参数或者程序代码来指定。

元空间则是 Java 8 及其以后版本的新特性，用于代替了早期版本中的方法区（Method Area）。元空间用于存储类的结构信息、常量池、静态变量等，在 Java 程序运行时会动态地分配和释放内存。与堆区不同的是，元空间是使用本地内存实现的，不受堆区大小的限制，因此可以根据需要动态调整大小。

因此，堆区和元空间的主要区别在于它们所用于存储的数据类型和内存管理方式。堆区用于存储动态分配的对象实例和数组等数据，而元空间用于存储类的结构信息、常量池、静态变量等数据。堆区的大小由 Java 虚拟机内存设置决定，而元空间的大小可以动态调整。

4.元空间存储的是初始的数据信息，堆区是将从元空间获取到的数据信息进行加工后存储的数据信息

堆区的大小由 Java 虚拟机内存设置决定，是因为堆区的大小直接关系到程序运行时对象的创建和回收。Java 虚拟机在启动时会根据设定的内存大小来划分堆区，并在运行过程中动态调整堆区的大小。

Java 程序中的对象都是在堆区中进行分配和回收的，堆区的大小决定了可以创建的对象数量和对象的总大小。如果堆区太小，就有可能出现内存不足的情况，导致程序抛出 OutOfMemoryError 异常。因此，为了保证程序正常运行，需要根据实际需求设置合适的堆区大小。

而元空间的大小可以动态调整，是因为元空间是使用本地内存实现的，不受 Java 虚拟机内存设置的限制。元空间的大小可以根据应用程序的需求进行动态调整，例如根据类的加载和卸载情况来自动扩展或收缩。这样可以更好地适应不同规模的应用程序，并且避免了早期版本中方法区容易出现的内存溢出问题。

总之，堆区的大小由 Java 虚拟机内存设置决定，影响着对象的创建和回收，而元空间的大小可以动态调整，更加灵活地管理类信息的存储。

5.CPU

CPU（Central Processing Unit，中央处理器），中文通常称为处理器或中央处理器。它是计算机中的核心部件，负责执行计算机程序中的指令，控制计算机的运行和数据处理。

CPU 的主要功能是进行算术和逻辑运算，从内存中读取数据并进行处理，然后将结果写回内存中。CPU 还负责控制计算机的各种硬件设备，如硬盘、光驱、键盘、鼠标等的输入输出操作。因此，CPU 可以看作是计算机的大脑，它决定了计算机的运行速度和性能。

CPU 的性能通常由以下几个因素决定：

1. 时钟频率：CPU 内部有一个时钟发生器，控制 CPU 每秒钟执行多少次指令。时钟频率越高，CPU 执行指令的速度就越快。

2. 核心数：现代 CPU 多数都是多核心的，每个核心可以独立地执行指令，因此可以同时处理多个任务，提高计算机的性能。

3. 缓存：CPU 内置缓存，用于存储最常用的数据和指令，可以加快 CPU 对这些数据和指令的访问速度。

4. 架构和制造工艺：CPU 的架构和制造工艺也会影响其性能，例如采用更高级别的架构和更先进的制造工艺，可以提高 CPU 的性能和效率。

总之，CPU 是计算机的核心部件，主要负责执行计算机程序中的指令，控制计算机的运行和数据处理。它的性能决定了计算机的运行速度和性能。

6.如何理解虚拟机中CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行

CPU 是中央处理器，负责执行计算机程序中的指令。为了执行这些指令，CPU 需要将数据加载到寄存器中。

寄存器是位于 CPU 内部的一小块高速存储器，用于存储 CPU 正在执行的指令和相关的数据。CPU 可以直接在寄存器中进行运算，而无需频繁地从内存中读取数据，因为寄存器的访问速度比内存快得多。

当 CPU 执行一条指令时，它首先从内存中获取指令，并将指令存储在指令寄存器中。然后，根据指令的要求，CPU 从内存中获取所需的数据，并将数据加载到其他寄存器中，如通用寄存器、累加器等。

一旦数据加载到寄存器中，CPU 就可以在寄存器上执行各种算术和逻辑操作。这种操作速度非常快，因为寄存器是 CPU 内部的组成部分，与 CPU 的时钟频率同步工作。

通过将数据加载到寄存器中，CPU 可以减少对内存的频繁访问，提高数据的访问速度和计算效率。因此，理解 CPU 只有在将数据加载到寄存器中后才能进行运算，可以更好地理解计算机的数据处理过程和 CPU 的工作原理。

7.虚拟机中执行引擎和CPU有什么区别

执行引擎和 CPU 是两个不同的概念，它们在虚拟机中扮演着不同的角色。

1. 执行引擎（Execution Engine）：执行引擎是虚拟机的一部分，负责执行字节码指令。在 Java 虚拟机中，执行引擎通常包含解释器和即时编译器两个部分。

   • 解释器（Interpreter）：解释器逐条解释执行字节码指令。它将字节码翻译成机器码并执行，但由于翻译和执行是交替进行的，所以解释器的执行速度较慢。
   • 即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）：即时编译器将字节码一次性地编译成机器码，然后执行编译后的机器码。由于机器码是直接在 CPU 上执行的，所以即时编译器的执行速度较快。

   执行引擎通过解释器和即时编译器的协作来提高虚拟机的执行效率。它根据程序的运行情况动态选择使用解释器还是即时编译器，以达到最佳的执行性能。

2. CPU（Central Processing Unit）：CPU 是计算机硬件的一部分，负责执行指令和处理数据。CPU 是计算机的核心组件，它包含算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等部分。

   CPU 执行指令是基于机器码的，它直接操作内存和寄存器中的数据。CPU 通过将指令从内存加载到寄存器中执行，完成各种计算、逻辑运算和控制流程等操作。

虚拟机的执行引擎是在软件层面实现的，它负责将字节码指令翻译成机器码并执行。CPU 是硬件层面的组件，它负责执行机器码指令并进行计算和处理数据。虚拟机的执行引擎和 CPU 在功能和执行层次上有所不同，但它们共同协作，使得程序能够在虚拟机中得以执行。

8.即时编译器是热点代码

即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）主要针对热点代码进行编译优化。

具体来说，当虚拟机执行程序时，即时编译器会监测代码的执行情况，识别出热点代码，即被频繁执行的代码片段。这些热点代码通常是程序的瓶颈所在，优化它们可以提高整体性能。

一旦识别到热点代码，即时编译器会将这些代码进行编译优化，将其转换成更高效的机器码。通过优化，即时编译器可以消除不必要的计算、内存访问，提升指令的执行效率。这样，下次执行该热点代码时，虚拟机就可以直接执行优化后的机器码，而无需再进行解释执行，从而获得更高的速度。

总结起来，即时编译器主要针对热点代码进行优化，将其编译成机器码以提高执行速度。这种优化策略可以根据程序的运行情况动态地选择并应用于特定的代码片段。这个过程中，即时编译器能够提供更好的性能和执行效率。

9.如何理解虚拟机根据栈来设计

在Java虚拟机（JVM）中，Java的指令集是基于栈操作的。

栈是一种数据结构，它遵循先进后出（Last-In-First-Out，LIFO）的原则。在Java虚拟机中，使用栈来进行方法调用和参数传递，以及保存临时变量和计算结果。

当一个方法被调用时，虚拟机会创建一个新的栈帧（Stack Frame），用于存储该方法的局部变量、方法参数和运算过程中的临时数据。栈帧由栈组成，每个栈帧包含操作数栈（Operand Stack）和局部变量表（Local Variable Table）两部分。

操作数栈用于存储方法执行过程中的操作数，如整数、浮点数等。当一个方法需要执行某个操作时，操作数从栈上弹出，执行操作后的结果再次压入栈中。这种基于栈的操作方式使得指令的设计相对简单和灵活。

局部变量表用于存储方法的局部变量和参数。在方法执行过程中，局部变量表可以用于存储方法的输入参数、临时变量和方法内部定义的局部变量。通过索引来访问局部变量表中的数据。

Java虚拟机中的指令集针对栈操作进行设计。指令可以从操作数栈中弹出数据、将数据压入操作数栈中，或者对数据进行计算和操作。这种设计使得虚拟机可以更加灵活地处理方法调用和参数传递，同时简化了指令的设计和实现。

10.线程在计算机是以什么样的形式存在的

在计算机中，线程以一种被称为线程控制块（Thread Control Block，TCB）或线程描述符的数据结构来表示和管理。

线程控制块是操作系统内核用于跟踪和管理线程的数据结构。每个线程在内核中都有一个对应的线程控制块，它包含了与该线程相关的信息，如线程的状态、优先级、程序计数器、栈指针和寄存器值等。

线程控制块中的重要信息包括：

1. 线程状态：表示线程当前的状态，如就绪、运行、阻塞等。
2. 栈指针：指向线程的栈空间，栈用于存储线程的局部变量、函数调用和临时数据。
3. 程序计数器：记录线程当前执行的指令位置。
4. 寄存器值：保存线程执行过程中的寄存器状态，包括通用寄存器、程序状态字等。
5. 调度信息：包括线程的优先级、调度策略等。

操作系统内核使用线程控制块来管理线程的创建、销毁、切换和调度。它通过更新线程控制块中的信息来控制线程的状态转换和执行流程。

每个线程在运行时都有自己的线程控制块，操作系统内核根据线程控制块中的信息来管理线程的执行。通过调度算法，操作系统可以决定何时切换线程，以实现多线程的并发执行。

总结起来，线程在计算机中以线程控制块的形式存在。线程控制块是操作系统内核用于管理线程的数据结构，它包含了与线程相关的信息，如状态、栈指针、程序计数器和调度信息等。操作系统通过更新线程控制块来管理线程的创建、销毁、切换和调度。

11.如何定义线程控制块

线程控制块（Thread Control Block，TCB）是操作系统内核用于管理线程的数据结构，它以一种特定的形式存在。

具体的线程控制块的定义和形式可能因操作系统而异，但一般包含以下常见的信息：

1. 线程ID：用于唯一标识线程的标识符。
2. 线程状态：表示线程当前的状态，如就绪、运行、阻塞等。
3. 栈指针：指向线程的栈空间顶部的指针，用于存储线程的局部变量、函数调用和临时数据。
4. 程序计数器（PC）：记录线程当前执行的指令位置，即下一条将要执行的指令地址。
5. 寄存器值：保存线程执行过程中的寄存器状态，包括通用寄存器、程序状态字等。
6. 调度信息：包括线程的优先级、调度策略等。
7. 阻塞原因：记录导致线程阻塞的原因，如等待某个事件发生或等待资源释放等。
8. 线程私有数据：线程独有的数据，用于保存线程的上下文信息或其他需要保持私有的数据。

线程控制块一般由操作系统内核在创建线程时动态分配，并在线程执行过程中更新其中的信息。操作系统使用线程控制块来管理线程的创建、销毁、切换和调度。

在内核中，线程控制块以一种数据结构的形式存在，可以是一个固定大小的结构体或一个动态分配的数据结构。此外，线程控制块通常会被组织成一个链表或树状结构，以便内核能够高效地管理和检索线程。

需要注意的是，不同的操作系统可能采用不同的线程控制块定义和形式，因此具体的细节可能会有所差异。以上是线程控制块的一般定义和存在形式的描述。

12.线程与栈与栈帧的区别与联系

线程是当一个类中方法被创建和使用并调用时，创建线程，在创建线程的过程中，调用不同的方法，当前这些被调用的方法调用一个创建一个栈帧，每个被调用的方法被创建栈帧，存放的顺序按照栈的原则，“先进后出” ，当调用到最后一个方法时，正好是当前线程中创建的栈中最上方的一个栈帧，当前栈帧经过执行引擎计算结束返回给当前栈帧的上一个栈帧，以此类推，最终返回给第一次方法调用栈帧，正好遵循 "先进后出"的原则。
我们都知道每个栈帧对应着每个方法的调用，每个方法多应该包含方法的入参，和方法内部的创建的临时变量，和方法计算后运行结果以及返回地址 returnAddress 。 最终当前栈帧这些信息返回给上一个栈帧，直到返回栈帧的初始入栈的栈帧计算结束出栈，结果保存堆

13.堆与元空间的关系

堆是jvm虚拟机内存管理的内存空间，空间大小是可以设置的。
元空间是代替原来的方法区，本来方法区和堆都是虚拟机中的存储元信息，但是元信息可能不受控制不好管理。

14.为什么元空间代替方法区

在传统的Java虚拟机（JVM）中，方法区被用于存储类的元数据信息、静态变量、常量池等。然而，方法区的大小是固定的，并且存在着一些限制和问题。

随着Java应用程序的复杂性增加和动态性的要求，传统的方法区存在以下问题：

1. 内存限制：方法区的大小是固定的，无法根据应用程序的需求进行动态调整。对于大型的应用程序或需要加载大量类的情况，可能会导致方法区溢出或内存不足的问题。
2. 垃圾回收效率低：传统的方法区使用垃圾回收器进行垃圾回收时，由于方法区的特殊结构和维护成本高，导致垃圾回收效率相对较低。
3. 无法实现动态类加载与卸载：传统的方法区无法实现对类的动态加载和卸载，即使某些类不再被使用，也无法释放对应的内存空间。

为了解决这些问题，Java 8引入了元空间（Metaspace）来替代传统的方法区。

元空间的主要优势包括：

1. 内存管理灵活：元空间不再有固定的大小限制，可以根据应用程序的需要进行动态调整，从而避免了方法区溢出等内存限制问题。
2. 垃圾回收效率高：元空间不再使用传统的垃圾回收方式，而是采用基于本地内存的方式管理。这使得垃圾回收更加高效，减少了垃圾回收器的维护成本。
3. 支持动态类加载与卸载：元空间支持动态加载和卸载类，当某个类不再被使用时，可以释放对应的内存空间，实现更好的资源利用和动态性能。

总的来说，虚拟机中使用元空间代替传统的方法区，主要是为了解决方法区大小固定、垃圾回收效率低和无法实现动态类加载与卸载等问题。元空间的引入使得内存管理更加灵活，垃圾回收效率更高，并且支持动态类加载与卸载，提升了Java应用程序的性能和可扩展性。

15.为什么说 元空间不再使用传统的垃圾回收方式，而是采用基于本地内存的方式管理。这使得垃圾回收更加高效，减少了垃圾回收器的维护成本。

元空间垃圾回收是通过本地内存的方式进行管理的，不再使用传统的垃圾回收方式。这意味着元空间的垃圾回收和Java堆的垃圾回收是分离的，互相独立的。

因为元空间使用的是本地内存，而本地内存不受垃圾回收器的管理，所以元空间的垃圾回收是由操作系统来负责的。当一个类被卸载时，对应的元数据信息会被从本地内存中删除，这样就完成了元空间的垃圾回收。

需要注意的是，虽然元空间的垃圾回收不再依靠垃圾回收器，但是在一些特殊情况下，例如元空间中的字符串常量池、反射等，仍然会产生垃圾。为了避免这些垃圾的积累，元空间中会有一定的清理机制，例如在JDK 11中引入了ZGC垃圾回收器，可以在运行时清理元空间中的垃圾。

总的来说，元空间的垃圾回收由操作系统来负责，通过基于本地内存的方式进行管理，使得垃圾回收更加高效，减少了垃圾回收器的维护成本。