Java虚拟机（Java virtual machine）实现了Java语言最重要得特征：即平台无关性。
平台无关性原理：编译后得Java程序（.class）文件由JVM执行。JVM屏蔽了与具体平台相关的信息，使程序可以在多种平台上不加修改的运行。JVM在执行字节码的时候，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。因此实现Java平台无关性。
一. JVM结构图
1. Java程序的执行流程
所有的Java程序代码必须保存在*.java文件中，这些称为源代码。这些源代码并不能够直接运行，必须通过javac.exe命令将它们编译成*.class文件，而后用java.exe命令在JVM进程中解释此流程。
实际上当JVM将所需要的*.class文件加载到JVM进程之中，那么这个过程就需要一个类加载器（ClassLoader）。有类加载器的好处在于：可以随意指定程序*.class文件的所在路径。
2. JVM
JVM = 类加载器 classloader+ 执行引擎 execution engine + 运行时数据区域 runtime data area
首先Java源代码文件被Java编译器编译为字节码文件，然后JVM中的类加载器加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中，JVM中的运行时数据区（内存）会用来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息。
JVM会提供本地方法接口和本地方法库供JAVA程序调用，前面这些都是程序运行的辅助手段，而最终程序的运行是在运行时数据区里面。
因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间（运行时数据区域）进行管理（如何分配和回收内存空间）。
（1）ClassLoader
ClassLoader把硬盘上的class文件加载到JVM中的运行时数据区域，但是它不负责这个类文件能否执行，这是执行引擎负责的。
（2）执行引擎
作用就是来执行字节码，或者执行本地方法
（3）运行时数据区
JVM在运行期间，在运行时数据区对JVM内存空间的划分和分配，划分为了一以下5个区域来处理：
1）方法区（共享区）----1.7之后放在了堆中
它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译期编译后的代码等数据；由于使用反射机制的原因，虚拟机很难推测哪个类信息不再使用，因此这块区域的回收很难！
同样当方法区无法满足内存需求时，会抛出OOM错误。
2）堆内存（共享区）
保存所有引用数据类型的真实信息。
对于大多数应用来说，Java堆是Jvm所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在jvm启动时候创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
3）栈内存（私有的）
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其它与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需要的空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧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。
- JVM栈是私有的，并且生命周期与线程相同。当线程运行完毕后，相应内存也就会被自动回收。
- 栈里面存放的元素叫栈帧，每个方法从调用到执行结束，其实是对应一个栈帧的入栈和出栈。
- 这个区域可能有两种异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常（如：将一个函数反复递归自己，最终会出现这种异常）。如果JVM栈可以动态扩展（大部分JVM是可以的），当扩展时无法申请到足够内存则抛出OutOfMemoryError异常。
4）程序计数器（私有的）
是一个非常小的内存空间，小到可以忽略。主要是用来指向下一个将要执行的指令代码。（字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。）如果该线程正在执行一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码地址，如果执行native方法，则计数器值为空。比如下面“4”的提示正是它的一个表现；
1 public class Test 2 public static void main(String args[]){ 3 String str=null; 4 str.length(); 5 } 6 }
运行后，会在第4行的时候抛出空指针异常：
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException at Test.main(Test.java:4)
为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各个线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
5）本地方法栈（私有的）
每一次执行递归的方法处理的时候，实际上都会将上一个方法入栈；
本地方法栈VS 虚拟机栈（栈内存）：前者是为JVM使用到的Native方法服务，而后者是为JVM执行Java方法（也就是字节码）服务。本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutofMemoryError异常。
比如：下面就会出现栈溢出的错误：
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)
方法入栈：如下图：假设方法A调用了B，方法B调用了C，方法C调用了D；首先A会入栈，然后B入栈，然后C，然后D。倘若程序一直在调用，导致栈一直在被占用，就会导致程序不能够往下继续执行了。
Java内存管理就是指的运行时数据区，Java只能够管理这部分。因此Java中的内存调优，实际上就是调的运行时数据区。
6）运行时常量池（是方法区的一部分）
运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池（即常量表），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
- 存放类中固定的常量信息、方法引用信息等，其空间从方法区域（JDK1.7后为堆空间）中分配。
- 但是Java语言并不要求常量一定只有编译期预置入Class的常量表的内容才能进入方法区常量池，运行期间也可将新内容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。
- 当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常（同方法区，因为它是方法区的一部分）。
3. 堆和栈的区别
这是一个非常常见的面试题，主要从以下几个方面来回答。
（1）各司其职
最主要的区别就是栈内存用来存储局部变量和方法调用信息。
而堆内存用来存储Java中的对象。无论是成员变量、局部变量还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中。
（2）空间大小
栈的内存要远远小于堆内存，如果你使用递归的话，那么你的栈很快就会充满并产生StackOverFlowError。
（3）独有还是共享
栈内存归属于线程的私有内存，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见。
而堆内存中的对象对所有线程可见，可以被所有线程访问。
（4）异常错误
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。
如果JVM栈可以动态扩展（大部分JVM是可以的），当扩展时无法申请到足够内存则抛出OutOfMemoryError异常。
而堆内存没有可用的空间存储生成的对象，JVM会抛出java.lang.OutOfMemoryError。
二. JVM的分类
实际上，有三种JVM：
（1） SUN公司最早改良的HOTSPOT
（2） BEA公司的：JRockit
（3） IBM：JVM’s
而Oracle在收购了SUN和BEA公司后，得到了业内的两个虚拟机的版本。它正在试图将这两个虚拟机合并成一个虚拟机，从1.8开始，这个合并已经成功了，这是一个重要的JDK版本。
范例：取得当前的JVM版本（java -version）
所谓的混合模式（mixed mode）：指的就是适合于编译和执行。
范例：使用纯解释模式启动：
范例：使用纯编译模式
HOTSPOT这个虚拟机我们是可以进行控制的，但是没有必要。实际上现在的JDK的设计都已经开始为服务器而准备的。对于JVM的启动模式分为两种：
（1）-server：服务器模式，占用的内存大，启动速度慢
（2）-client：本地单机运行程序模式，启动速度快
比如：打开JRE文件夹（安装路径），找到jvm.cfg，这个文件中有如下内容：
说明clent忽略了。说明JAVA默认启动方式是服务器模式了。
三. Java对象的创建
Note：对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据、对象填充。每个部分携带了关于对象的相关信息。比如对象头中可能存放了对象的哈希码、锁状态标志等。
四. Java对象访问模式
Java的引用类型是最为重要的数据处理模型。而整个的引用数据类型处理之中会牵扯到：堆内存、栈内存、方法区。
下面以一个最简单的程序代码为主：“Object obj=new Object()”，实例化了一个Object类对象。
（1） Object obj：描述的是保存在栈内存之中，而保存有堆内存的引用，这个数据会保存在本地变量表中。（这个表中有变量名，栈，堆）
（2） New Object（）：一个真正的对象，对象保存在堆内存中。
直观思路整个引用的操作：
- 新定义的对象的名称保存在本地变量表，而后在这块区域需要确认要与之对应的栈内存
- 通过变量表中的栈内存地址可以找到堆内存。
- 而后利用对内存的对象进行本地方法的调用（方法区）
由于reference类型在jvm规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于jvm实现而定的。对于引用数据类型的访问实际上是存在两种模式的：
1. 第一种：通过句柄访问
句柄：可以理解为拿着对象的关键因素的东西，我们需要通过这个关键因素去寻找对象。Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,refenerce中存储的就是对象的句柄的地址,而句柄中包 含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
优点 : 最大的好处就是reference中存储的是稳定的句柄的地址,在对象被移动(垃圾回收时移动对象是很常见的行为)时只会改变句柄中的实例数据的地址,而reference本身不需要修改。
使用：对象不是一次性找到的。需要通过句柄先找到对象实例数据，然后需要通过句柄找到对象类型数据。整个过程很麻烦。确保对象的真实存在。（也就是说，先要通过句柄找到对象在哪，然后通过句柄找到类型信息，最后找到操作符方法）
2. 第二种：通过直接指针访问（对象的保存模式）
定义 : reference中存储直接对象的地址,但是必须考虑放置访问类型数据的相关信息
优点 : 访问速度快,节省了一次指针定位的时间开销，省略了句柄到对象的查找。
参考文献：
https://blog.csdn.net/SEU_Calvin/article/details/51404589
《深入理解JAVA虚拟机》
李兴华老师的《Java内存模型》