Java 虚拟机

Java虚拟机（Java Virtual Machine）是一种能够运行Java字节码的虚拟机。

实际上只要编译文件符合JVM对加载编译文件格式要求，任何语言都可以由JVM编译运行，例如JPython、Scala、JRupy。

总体结构

Java虚拟机主要被划分为四部分：

类加载器（ClassLoader）
运行时数据区（Runtime Data Area）
执行引擎（Execution Engine）
本地库接口（Native Interface）

Java是如何跨平台运行的？

Java虚拟机在这里充当了桥梁的作用，通过屏蔽了具体操作系统的API(不同平台JVM实现有所不同)，只要生成Java字节码就可以在多平台不加修改的运行。

类加载器

类加载器（ClassLoader）负责把class加载到JVM。

Java文件再被JVM处理之前，需要编译成Java字节码格式的class文件，然后通过类加载器加载到JVM。

执行引擎

Java虚拟机通过模拟操作系统实现了一套虚拟架构，包括处理器、堆栈、寄存器等。

执行引擎（Execution Engine）就是模拟操作系统执行命令的原理，以指令为单位读取Java字节码。

Java字节码指令都由操作码和操作数组成。

Java字节码是实现跨平台的关键，所以在不同平台并不能直接执行，这就需要不同平台实现各自的执行引擎来生成各自可执行机器语言。

在Java虚拟机中，存在三种执行方式：

解释器模式：读取字节码解释并且执行字节码指令，由于省去编译时间，应用启动快，但执行效率差，Python默认就是采用此方法。

JIT编译模式：通过把字节码编译成机器码达到提供执行效率的方法，由于在程序运行前需要编译，导致程序启动慢，但是执行效率高。

JIT（Just In Time）即时编译：在程序运行中对热点代码进行即时编译成机器码，从而提高程序运行效率。热点代码（HotSpotCode）可划分为：多次被调用的方法和多次被执行的循环体。

混合模式：上面两种模式的混合，在适合的时候选择合适的模式，从而解决两种模式存在的问题。

Java虚拟机到底采用那种模式呢？

实际上，不同的JVM采用了不同的方式，HotSpotVM才用了混合模式来执行引擎，而JRockitVM才用了JIT编译模式(并没有实现解析器)。
如果对解释和编译感兴趣的话，可以戳一下为什么 JVM 不用 JIT 全程编译？

本地库接口

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java虚拟机所用，其一般被称为JNI（Java Native Interface）。

wikipedia： JNI是一种编程框架，使得Java虚拟机中的Java程序可以调用本地应用/或库，也可以被其他程序调用。

运行时数据区

运行时数据区是Java虚拟机中最重要的组成部分，也常被称为JVM内存。

JVM内存可分为以下五个部分：

方法区：线程共享，主要用于存储加载的类信息、常量池、静态变量、JIT编译的代码等。

实际上不同JVM实现上也有所不同，

JDK1.7中，已经把放在永久代的字符串常量池移到堆中。

JDK1.8中，已经把放在永久代的静态变量移到堆中。

JDK1.8撤销永久代(Perm)，引入元空间(Metaspace)（存放在本地内存，不在受JVM内存限制）。

其他VM都不存在永久代，例如，JRockitVM就没有永久代。

JDK1.8中JVM进程占用的内存会多出来1G？

由于JDK1.8默认开启了-XX:+UseCompressedClassPointers，CompressedClassSpace默认值为1G，因此会发现JVM进程占用的内存会多出来1G。

元空间(Metaspace)默认最大为宿主机内存，存储klass（JVM中class的数据结构）。

当开启了指令压缩（仅64位JVM）的情况下，CompressedClassSpace会自动申请不大于Metaspace中的空间大小。

CodeCache是用来存储JIT编译生成的热点代码（HotSpotCode），用于加速运行。

堆：线程共享，用于存储对象，是GC的主要区域。

与C/C++不同之处就在于此，Java虚拟机为开发者省去了内存管理的麻烦，也降低了软件开发和维护的难度。

内存管理一般会涉及到内存释放的时机、内存碎片、并发清理内存垃圾的性能等问题。

具体GC算法可以戳垃圾回收GC

虚拟机栈：线程独占，用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法返回地址等信息。

局部变量表：是用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，在编译期确定最大容量。
操作栈：执行引擎就是基于操作栈来工作的，在编译期确定最大容量。
动态链接：运行期加载的常量池中关联当前方法的符号引用。

本地方法栈：线程独占，用于执行本地方法（Native Method）。

程序计数器：线程独占，用于保存当前线程执行的内存地址，用于JVM程序多线程切换后恢复执行环境。

总结

Java虚拟机不仅提供了平台无关运行环境，并且接管了内存管理机制，从而使得Java开发、维护变得简单和流行。