1 前言

什么是JVM?我们来看一下维基百科的答案

A Java virtual machine (JVM) is a virtual machine that enables a computer to run Java programs as well as programs written in other languages and compiled to Java bytecode. The JVM is detailed by a specification that formally describes what is required of a JVM implementation. Having a specification ensures interoperability of Java programs across different implementations so that program authors using the Java Development Kit (JDK) need not worry about idiosyncrasies of the underlying hardware platform.

Java虚拟机（JVM）是一种虚拟机，它使计算机能够运行Java程序以及用其他语言编写的程序(如Groovy,Scala)，并编译成Java字节码。JVM由规范描述了JVM实现所需的规范。使用规范确保Java程序在不同实现之间的互操作性，以便使用Java开发工具包（JDK）的程序作者不必担心底层硬件平台的特质。
其中虚拟机指的是

指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。

我们常见的虚拟机有VM Ware,Virtual Box,JVM
而今天我们要介绍的内容是虚拟机中很重要的一个概念，虚拟机的内存结构。

2 虚拟机内存结构

JVM内存结构.jpg
其中最重要的概念是 方法区，JAVA堆，JAVA栈，指令计数器(PC)

1. 指令计数器(PC)
   每个线程都有独立的程序计数器，各线程的互不影响，用于存储下一条执行的虚拟机指令地址（对于Native方法则为空undefined)

2. JAVA栈(VM Stack)
   我们知道栈是一种先进后出的数据结构，它有点像机关枪的弹夹先被放进去的子弹最后被打出来。
   JVM会为每一个线程创建一个栈，JAVA中的栈是以栈帧为基本的数据单元,在一个线程栈里面会有很多个栈帧(Frame)，每一个栈帧对应一个方法。例如：我们一般在main方法写的程序，叫做主线程中main方法的栈帧。而这个main方法的栈帧存储着，该方法运行时所需要的数据。当main方法调用其他方法例如max()方法。那么max方法所对应的栈帧就会进行压栈操作,成为当前的栈帧。当max()方法执行结束之后，当前的栈帧就会出栈，main方法重新成为当前的栈帧。
   那么一个栈帧主要存储着哪些数据呢？主要包含下面的数据

   • 局部变量表
   • 操作数栈
   • 方法返回地址
   • 动态链接

   2.1 局部变量表:
   局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，其中存放的数据的类型是编译期可知的各种基本数据类型、对象引用(reference)和(returnAddress)类型（它指向了一条字节码指令的地址）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成计算的，即在Java程序被编译成Class文件时，就确定了所需分配的最大局部变量表的容量。当进入一个方法时，这个方法需要在栈中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

   2.2 操作数栈:
   操作数栈又常被称为操作栈，操作数栈的最大深度也是在编译的时候就确定了。32位数据类型所占的栈容量为1, 64位数据类型所占的栈容量为2。当一个方法开始执行时，它的操作栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令（比如：加操作、赋值元算等）向操作栈中写入和提取内容，也就是入栈和出栈操作。Java虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，其中所指的“栈”就是操作数栈。因此我们也称Java虚拟机是基于栈的，这点不同于Android虚拟机，Android虚拟机是基于寄存器的。基于栈的指令集最主要的优点是可移植性强，主要的缺点是执行速度相对会慢些；而由于寄存器由硬件直接提供，所以基于寄存器指令集最主要的优点是执行速度快，主要的缺点是可移植性差。

   2.3 动态链接:
   每个栈帧都包含一个指向运行时常量池（在方法区中，后面介绍）中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。Class文件的常量池中存在有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用，一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用（如 final、static 域等），称为静态解析，另一部分将在每一次的运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

   2.4 方法返回地址:
   当一个方法被执行后，有两种方式退出该方法：执行引擎遇到了任意一个方法返回的字节码指令或遇到了异常，并且该异常没有在方法体内得到处理。无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能保存了这个计数器值，而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出站，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，如果有返回值，则把它压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

3. JAVA堆(Heap)
   所有线程共享的内存区域，用于存放对象实例
4. 方法区(Method Area)
   线程共享，用于存放已加载的类、常量、静态变量、JIT编译后的代码等数据。
   对于HotSpot虚拟机用户而言，经常将方法区称为永生代（Permanent Generation），是因为HotSpot虚拟机用永生代实现方法区，用GC管理方法区。
5. 综合案例
   综合例子.jpg

public class Sample {
    private String name;
    public Sample(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void printName() {
        System.out.println(name);
    }
}
public class appMain {
    public static void main(String[] args) {
        Sample test1 = new Sample("测试1");
        Sample test2 = new Sample("测试2");   
        test1.printName();
        test2.printName();
    }
}

程序的执行流程如下。

1. appMain类信息(即appMain.class对象)通过类加载器加载进方法区。
2. test1,test2 是自定义类Sample类的两个引用，放置在主线程main方法对应的栈帧中。
3. Sample类的两个实例放置在堆区中。
4. 分别调用在test1,test2,关于Sample存储在方法区中的printName()方法。
5. 返回main方法，程序结束。