1、jvm
1.1 jvm
jvm全称是Java VirtualMachine(java虚拟机)。它之所以被称之为是“虚拟”的，就是因为它仅仅是由一个规范来定义的抽象计算机。我们平时经常使用的Sun HotSpot虚拟机(程序虚拟机)只是其中一个具体的实现(另外还有BEA JRockit、IBM J9等等虚拟机)。在实际的计算机上通过软件来实现一个虚拟计算机。与VMWare(系统虚拟机)等类似软件不同，你是看不到jvm的，它存在于内存。
当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例也就诞生了。当该程序关闭退出，这个虚拟机实例也就随之消亡。如果在同一台计算机上同时运行三个Java程序，将得到三个Java虚拟机实例。每个Java程序都运行于它自己的Java虚拟机实例中。
1.2 jvm基本结构
下面先对图中各部分做个简单的说明:
1、类加载子系统：负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。
2、方法区：就是存放类信息、运行时常量池信息、包括字符串字面量和数字常量。
3、java堆：在虚拟机启动的时候建立，它是java程序最主要的内存工作区域。几乎所有的java对象实例都存放在java堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与java应用密切相关的内存空间。
4、直接内存：是在java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在java堆外，因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。
5、java栈：每一个java虚拟机线程都有一个私有的java栈，一个线程的java栈在线程创建的时候被创建，java栈中保存着帧信息，java栈中保存着局部变量、方法参数，同时和java方法的调用、返回密切相关。
6、本地方法栈和java栈非常类似，最大的不同在于java栈用于方法的调用，而本地方法栈则用于本地方法的调用，作为对java虚拟机的重要扩展，java虚拟机允许java直接调用本地方法（通常使用C编写）
7、垃圾回收系统是java虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、java堆和直接内存进行回收。其中，java堆是垃圾收集器的工作重点。和C/C++不同，java中所有的对象空间释放都是隐式的，也就是说，java中没有类似free()或者delete()这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作，默默查找、标识并释放垃圾对象，完成包括java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。
8、PC（Program Counter）寄存器也是每一个线程私有的空间，java虚拟机会为每一个java线程创建PC寄存器。在任意时刻，一个java线程总是在执行一个方法，这个正在被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令。如果当前方法是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined
9、执行引擎是java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码，现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。
2、java堆
2.1 java堆
java堆是和应用程序关系最为密切的内存空间，几乎所有的对象都存放在堆上。并且java堆是完全自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会被自动清理，而不需要显示的释放。
根据java回收机制的不同，java堆有可能拥有不同的结构。最为常见的一种构成是将整个java堆分为新生代和老年代（默认比例为：新生代占堆空间的1/3、老年代占堆空间2/3)。其中新生代存放新生对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。新生代又可以分为eden区、s0区、s1区(默认比例为：8:1:1)，s0区和s1区也被称为from和to区，他们是两块大小相同、可以互换角色的内存空间。
2.2 java堆的基本结构
新生代几乎是所有JAVA对象出生的地方，JAVA对象申请的内存和存放都是在这个地方。在绝大多数情况下，对象首先分配在eden区(其中包括一个survivor，假如是from)，在一次新生代回收之后，如果对象还存活，并且能够被另外一块survivor所容纳（这里survivor则是to了），则使用复制算法将这些仍然存活的对象复制到to survior区域中，然后清理掉eden和from survivor区域，并将这些存活的对象年龄+1，以后对象在survivor中每熬过一次gc则增加1，当年龄达到某个值时（默认15，通过设置参数-xx:maxtenuringThreshold来设置），这些对象就会成为老年代！但是也不一定，当一些较大的对象（需要分配连续的内存空间）则直接进入老年代。
3、java栈
java栈是一块线程私有的内存空间。如果说，java堆和程序数据密切相关，那么java栈就是和线程执行密切相关。线程执行的基本行为是函数调用，每次函数调用的数据都是通过java栈传递的。java栈与数据结构上的栈有着类似的含义，它是一块先进后出的数据结构，只支持出栈和进栈两种操作，在java栈中保存的主要内容为栈帧。每一次函数调用，都会有一个对应的栈帧被压入java栈，每一个函数调用结束，都会有一个栈帧被弹出java栈。如下图：栈帧和函数调用。函数1对应栈帧1，函数2对应栈帧2，依次类推。函数1中调用函数2，函数2中调用函数3，函数3调用函数4.当函数1被调用时，栈帧1入栈，当函数2调用时，栈帧2入栈，当函数3被调用时，栈帧3入栈，当函数4被调用时，栈帧4入栈。当前正在执行的函数所对应的帧就是当前帧（位于栈顶），它保存着当前函数的局部变量、中间计算结果等数据。当函数返回时，栈帧从java栈中被弹出，java方法区有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令，另一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
在一个栈帧中，至少包含局部变量表、操作数栈和帧数据区几个部分。
1、局部变量表：是栈帧的重要组成部分之一。它用于保存函数的参数以及局部变量，局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，当函数调用结束，随着函数栈帧的弹出销毁，局部变量表也会随之销毁。
2、操作数栈：它主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。操作数栈也是一个先进后出的数据结构，只支持入栈和出栈两种操作，许多java字节码指令都需要通过操作数栈进行参数传递
3、除了局部变量表和操作数栈，java栈帧还需要一些数据来支持常量池的解析、正常方法返回和异常处理等。大部分java字节码指令需要进行常量池访问，在帧数据区中保留着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。此外，当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须恢复调用者函数的栈帧，并让调用者函数继续执行下去。对于异常处理，虚拟机必须有一个异常处理表，方便在发生异常时找到处理异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区中重要的一部分
4、方法区
和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，比如类的字段、方法、常量池等。方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区的溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误。
在JDK1.6、JDK1.7中，方法区可以理解为永久区（Perm）。永久区可以使用参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize指定，默认情况下，-XX:MaxPermSize为64M。一个大的永久区可以保存更多的类信息。如果系统使用了一些动态代理，那么有可能会在运行时生成大量的类，如果这样，就需要设置一个合理的永久区大小，确保不发生永久区内存溢出。
在JDK1.8中，永久区已经被彻底移除，取而代之的是元数据区，元数据区大小可以使用参数-XX:MaxMetaspaceSize指定（一个大的元数据区可以使系统支持更多的类），这是一块堆外的直接内存。与永久区不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生异常，虚拟机一样会抛出异常。
5、java堆、方法区、java栈的关系
用java中简单的示例，展示java堆、方法区和java栈之间的关系
package com.jvm;
public class SimpleHeap {
private int id;
public SimpleHeap(int id){
this.id = id;
}
public void show(){
System.out.println("My id is "+id);
}
public static void main(String[] args) {
SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
s1.show();
s2.show();
}
}
SimpleHeap实例本身分配在堆中，描述SimpleHeap类的信息存放在方法区，main函数中的s1 s2局部变量存放在java栈上，并指向堆中两个实例。