Java虛擬機器（Java virtual machine）實現了Java語言最終要得特徵：即平臺無關性。

平臺無關性原理：編譯後得Java程式（.class）檔案由JVM執行。JVM遮蔽了與具體平臺相關的資訊，使程式可以在多種平臺上不加修改的執行。JVM在執行位元組碼的時候，把位元組碼解釋成具體平臺上的機器指令執行。因此實現Java平臺無關性。

一. JVM結構圖

1. Java程式的執行流程

所有的Java程式程式碼必須儲存在*.java檔案中，這些稱為原始碼。這些原始碼並不能夠直接執行，必須通過javac.exe命令將它們編譯成*.class檔案，而後用java.exe命令在JVM程序中解釋此流程。

實際上當JVM將所需要的*.class檔案載入到JVM程序之中，那麼這個過程就需要一個類載入器（ClassLoader）。有類載入器的好處在於：可以隨意指定程式*.class檔案的所在路徑。

2. JVM

JVM = 類載入器 classloader+ 執行引擎 execution engine + 執行時資料區域 runtime data area

首先Java原始碼檔案被Java編譯器編譯為位元組碼檔案，然後JVM中的類載入器載入完畢之後，交由JVM執行引擎執行。在整個程式執行過程中，JVM中的執行時資料區（記憶體）會用來儲存程式執行期間需要用到的資料和相關資訊。

JVM會提供本地方法介面和本地方法庫供JAVA程式呼叫，前面這些都是程式執行的輔助手段，而最終程式的執行是在執行時資料區裡面。

因此，在Java中我們常常說到的記憶體管理就是針對這段空間（執行時資料區域）進行管理（如何分配和回收記憶體空間）。

（1）ClassLoader

         ClassLoader把硬碟上的class檔案載入到JVM中的執行時資料區域，但是它不負責這個類檔案能否執行，這是執行引擎負責的。

（2）執行引擎

          作用就是來執行位元組碼，或者執行本地方法

（3）執行時資料區

            JVM在執行期間，在執行時資料區對JVM記憶體空間的劃分和分配，劃分為了一以下5個區域來處理：

     1）方法區（共享區）----1.7之後放在了堆中

          它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯期編譯後的程式碼等資料；由於使用反射機制的原因，虛擬機器很難推測哪個類資訊不再使用，因此這塊區域的回收很難！

          同樣當方法區無法滿足記憶體需求時，會丟擲OOM錯誤。

     2）堆記憶體（共享區）

           儲存所有引用資料型別的真實資訊。    

           對於大多數應用來說，Java堆是Jvm所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在jvm啟動時候建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有的物件例項都在這裡分配記憶體。

           如果在堆中沒有記憶體完成例項分配，並且堆也無法再擴充套件時，將會丟擲OutOfMemoryError異常。

     3）棧記憶體（私有的）

        （也就是虛擬機器棧，或者說是虛擬機器棧中區域性變量表部分）：區域性變量表存放了編譯期可知的各種基本資料型別（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、物件引用（reference型別，它不等同於物件本身，可能是一個指向物件起始地址的引用指標，也可能是指向一個代表物件的控制代碼或其它與此物件相關的位置）和returnAddress型別（指向了一條位元組碼指令的地址）。

• JVM棧是私有的，並且生命週期與執行緒相同。當執行緒執行完畢後，相應記憶體也就會被自動回收。
• 棧裡面存放的元素叫棧幀，每個方法從呼叫到執行結束，其實是對應一個棧幀的入棧和出棧。
• 這個區域可能有兩種異常：如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常（如：將一個函式反覆遞迴自己，最終會出現這種異常）。如果JVM棧可以動態擴充套件（大部分JVM是可以的），當擴充套件時無法申請到足夠記憶體則丟擲OutOfMemoryError異常。

     4）程式計數器（私有的）

           是一個非常小的記憶體空間，小到可以忽略。主要是用來指向下一個將要執行的指令程式碼。如該執行緒正在執行一個Java方法，則計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼地址，如執行native方法，則計數器值為空。比如下面“4”的提示正是它的一個表現；

1 public class Test
2       public static void main(String args[]){
3            String str=null;
4            str.length();
5       }
6 }

執行後，會在第4行的時候丟擲空指標異常：

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException at Test.main(Test.java:4)

 為了執行緒切換後能夠恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要有一個獨立的程式計數器，各個執行緒之間計數器互不影響，獨立儲存，我們稱這類記憶體區域為“執行緒私有”的記憶體。

     5）本地方法棧（私有的）

          每一次執行遞迴的方法處理的時候，實際上都會將上一個方法入棧；

         本地方法棧VS 虛擬機器棧（棧記憶體）：前者是為JVM使用到的Native方法服務，而後者是為JVM執行Java方法（也就是位元組碼）服務。本地方法棧也會丟擲StackOverflowError和OutofMemoryError異常。

比如：下面就會出現棧溢位的錯誤：

public class Test {
    public static void main(String args[]) {
        f();
    }
    public static void f() {
        f();
    }

}

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)
    at mytest2.Test.f(Test.java:8)

方法入棧：如下圖：假設方法A呼叫了B，方法B呼叫了C，方法C呼叫了D；首先A會入棧，然後B如棧，然後C，然後D。倘若一致程式在呼叫，導致棧一致在被佔用，就會導致程式不能夠往下繼續執行了。

Java記憶體管理就是指的執行時資料區，Java只能夠管理這部分。因此Java中的記憶體調優，實際上就是調的執行時資料區。

     6）執行時常量池

• 存放類中固定的常量資訊、方法引用資訊等，其空間從方法區域（JDK1.7後為堆空間）中分配。
• Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有就是常量表，用於存放編譯期已可知的常量，這部分內容將在類載入後進入方法區（永久代）存放。但是Java語言並不要求常量一定只有編譯期預置入Class的常量表的內容才能進入方法區常量池，執行期間也可將新內容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。
• 當常量池無法在申請到記憶體時會丟擲OutOfMemoryError異常，上面也分析過了。

3. 堆和棧的區別

這是一個非常常見的面試題，主要從以下幾個方面來回答。

（1）各司其職

最主要的區別就是棧記憶體用來儲存區域性變數和方法呼叫資訊。
而堆記憶體用來儲存Java中的物件。無論是成員變數、區域性變數還是類變數，它們指向的物件都儲存在堆記憶體中。

（2）空間大小

棧的記憶體要遠遠小於堆記憶體，如果你使用遞迴的話，那麼你的棧很快就會充滿併產生StackOverFlowError。

（3）獨有還是共享

棧記憶體歸屬於執行緒的私有記憶體，每個執行緒都會有一個棧記憶體，其儲存的變數只能在其所屬執行緒中可見。
而堆記憶體中的物件對所有執行緒可見，可以被所有執行緒訪問。

（4）異常錯誤

如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將丟擲StackOverflowError異常。

如果JVM棧可以動態擴充套件（大部分JVM是可以的），當擴充套件時無法申請到足夠記憶體則丟擲OutOfMemoryError異常。

而堆記憶體沒有可用的空間儲存生成的物件，JVM會丟擲java.lang.OutOfMemoryError。

二. JVM的分類

實際上，有三種JVM：

（1）      SUN公司最早改良的HOTSPOT

（2）      BEA公司的：JRockit

（3）      IBM：JVM’s

而Oracle在收購了SUN和BEA公司後，得到了業內的兩個虛擬機器的版本。它正在試圖將這兩個虛擬機器合併成一個虛擬機器，從1.8開始，這個合併已經成功了，這是一個重要的JDK版本。

範例：取得當前的JVM版本（java -version）

所謂的混合模式（mixed mode）：指的就是適合於編譯和執行。

範例：使用純解釋模式啟動：

範例：使用純編譯模式

HOTSPOT這個虛擬機器我們是可以進行控制的，但是沒有必要。實際上現在的JDK的設計都已經開始為伺服器而準備的。對於JVM的啟動模式分為兩種：

（1）-server：伺服器模式，佔用的記憶體大，啟動速度慢

（2）-client：本地單機執行程式模式，啟動速度快

比如：開啟JRE資料夾（安裝路徑），找到jvm.cfg，這個檔案中有如下內容：

說明clent忽略了。說明JAVA預設啟動方式是伺服器模式了。

 三. Java物件訪問模式

Java的引用型別是最為重要的資料處理模型。而整個的引用資料型別處理之中會牽扯到：堆記憶體、棧記憶體、方法區。

下面以一個最簡單的程式程式碼為主：“Object obj=new Object()”，例項化了一個Object類物件。

（1）      Object obj：描述的是儲存在棧記憶體之中，而儲存有堆記憶體的引用，這個資料會儲存在本地變量表中。（這個表中有變數名，棧，堆）

（2）      New Object（）：一個真正的物件，物件儲存在堆記憶體中。

直觀思路整個引用的操作：

• 新定義的物件的名稱儲存在本地變量表，而後在這塊區域需要確認要與之對應的棧記憶體
• 通過變量表中的棧記憶體地址可以找到堆記憶體。
• 而後利用對記憶體的物件進行本地方法的呼叫（方法區）

對於引用資料型別的訪問實際上是存在兩種模式的：

1. 第一種：通過控制代碼訪問

控制代碼：可以理解為拿著物件的關鍵因素的東西，我們需要通過這個關鍵因素去尋找物件。Java堆中將會劃分出一塊記憶體來作為控制代碼池,refenerce中儲存的就是物件的控制代碼的地址,而控制代碼中包 含了物件例項資料與型別資料各自的具體地址資訊。

優點 : 最大的好處就是reference中儲存的是穩定的控制代碼的地址,在物件被移動(垃圾回收時移動物件是很常見的行為)時只會改變控制代碼中的例項資料的地址,而reference本身不需要修改。

使用：物件不是一次性找到的。需要通過控制代碼先找到物件例項資料，然後需要通過控制代碼找到物件型別資料。整個過程很麻煩。確保物件的真實存在。（也就是說，先要通過控制代碼找到物件在哪，然後通過控制代碼找到型別資訊，最後找到操作符方法）

2. 第二種：通過直接指標訪問（物件的儲存模式）

定義 : reference中儲存直接物件的地址,但是必須考慮放置訪問型別資料的相關資訊

優點 : 訪問速度快,節省了一次指標定位的時間開銷，省略了控制代碼到物件的查詢。

參考文獻：

https://blog.csdn.net/SEU_Calvin/article/details/51404589

《深入理解JAVA虛擬機器》

李興華老師的《Java記憶體模型》