一、初识JVM
本章讲述JVM概念、发展历史等。
1、虚拟机（Virtual Machine)概念
JRE是由Java API和JVM组成的。JVM的主要作用是通过Class Loader来加载Java程序，并且按照Java API来执行加载的程序。
虚拟机是通过软件的方式来模拟实现的机器（比如说计算机），它可以像物理机一样运行程序。设计虚拟机的初衷是让Java能够通过它来实现WORA(Write Once Run Anywhere 一次编译，到处运行），尽管这个目标现在已经被大多数人忽略了。因此，JVM可以在不修改Java代码的情况下，在所有的硬件环境上运行Java字节码。
Java虚拟机的特点如下：
基于栈的虚拟机：Intel x86和ARM这两种最常见的计算机体系的机构都是基于寄存器的。不同的是，JVM是基于栈的。
符号引用：除了基本类型以外的数据（类和接口）都是通过符号来引用，而不是通过显式地使用内存地址来引用。
垃圾回收机制：类的实例都是通过用户代码进行创建，并且自动被垃圾回收机制进行回收。
通过对基本类型的清晰定义来保证平台独立性：传统的编程语言，例如C/C++，int类型的大小取决于不同的平台。JVM通过对基本类型的清晰定义来保证它的兼容性以及平台独立性。
网络字节码顺序：Java class文件用网络字节码顺序来进行存储:为了保证和小端的Intel x86架构以及大端的RISC系列的架构保持无关性，JVM使用用于网络传输的网络字节顺序，也就是大端。
虽然是Sun公司开发了Java，但是所有的开发商都可以开发并且提供遵循Java虚拟机规范的JVM。正是由于这个原因，使得Oracle HotSpot和IBM JVM等不同的JVM能够并存。Google的Android系统里的Dalvik VM也是一种JVM，虽然它并不遵循Java虚拟机规范。和基于栈的Java虚拟机不同，Dalvik VM是基于寄存器的架构，因此它的Java字节码也被转化成基于寄存器的指令集。
2、JVM发展历史
1. Java发展史
1996年：SUN JDK 1.0 Classic VM
纯解释运行，使用外挂进行JIT
1997年：JDK1.1 发布
AWT、内部类、JDBC、RMI、反射
1998年：JDK1.2 Solaris Exact VM
JIT 解释器混合
Accurate Memory Management 精确内存管理，数据类型敏感
提升了GC性能
注：JDK1.2开始，称为Java 2，于是有了J2SE J2EE J2ME 的出现，同时加入Swing Collections。
2000年：JDK 1.3，Hotspot 作为默认虚拟机发布
加入JavaSound
2002年：JDK 1.4【Java真正走向成熟的一个版本】，Classic VM退出历史舞台
加入：Assert 正则表达式 NIO IPV6 日志API 加密类库
2004年：JDK 1.5【至关重要的版本】。即 JDK5 、J2SE 5 、Java 5
泛型、注解、枚举、自动装箱、可变长参数、Foreach循环
2006年：JDK 1.6发布，JDK6
脚本语言支持、JDBC 4.0、Java编译器 API
2011年：JDK7发布
G1（全新的GC收集器）
动态语言增强
64位系统中的压缩指针
NIO 2.0
2014年：JDK8发布【重要的版本】
Lambda表达式
语法增强 Java类型注解
2016年：计划发布JDK9
模块化
2. 重大历史事件
使用最为广泛的JVM为HotSpot：HotSpot 为Longview Technologies开发，被SUN收购
2006年：Java开源，并建立OpenJDK，
HotSpot 成为Sun JDK和OpenJDK中所带的虚拟机。
2008年：Oracle收购BEA
得到JRockit VM
2009年：Oracle公司正式宣布以74亿美金的价格收购Sun公司。
得到Hotspot
Oracle宣布在JDK8时整合JRockit和Hotspot，将这两款优秀的虚拟机取长补短，最终合二为一。
在Hotspot基础上，移植JRockit优秀特性
3、JVM种类
1. KVM：
SUN发布
IOS Android兴起之前，广泛用于手机系统
2. CDC/CLDC HotSpot：
J2ME的重要组成部分
手机、电子书、PDA等设备上建立统一的Java编程接口
3. JRockit：
BEA
4. IBM J9 VM：
IBM内部
5. Apache Harmony：
兼容于JDK 1.5和JDK 1.6的Java程序运行平台
与Oracle关系恶劣，退出JCP ，Java社区的分裂
OpenJDK出现后，受到挑战，2011年退役
没有大规模商用经历
对Android的发展有积极作用
4、JVM规范
JVM语言规范主要体现在以下几点：
Class文件类型
运行时数据
帧栈
虚拟机的启动
虚拟机的指令集
此外，JVM需要对Java Library 提供以下支持：（因为这些东西没有办法通过java语言本身来实现）
反射 java.lang.reflect
ClassLoader
初始化class和interface
安全相关 java.security
多线程
弱引用
二、Java字节码（Java bytecode) 和 Class文件
为了保证WORA，JVM使用Java字节码这种介于Java和机器语言之间的中间语言。字节码是部署Java代码的最小单位。
参见：http://www.importnew.com/1486.html
参见：https://blog.jamesdbloom.com/JVMInternals.html#class_file_structure
参见：http://localhost:9500/zoa/collect/#?id=z449aa
三、JVM结构
JVM本身是一个规范，所以可以有多种实现，除了Hotspot外，还有诸如Oracle的JRockit、IBM J9也都是非常有名的JVM。通常我们基于Hotspot虚拟机来讲。
JVM的结构 主要由类加载器、运行时数据区（也叫做内存区）、执行引擎、本地方法接口等4部分组成，有点类似于操作系统的结构。如下图所示：
主要包括4部分：
1. 类加载器：在JVM启动时或者在类运行时将需要的class加载到JVM中。
2. 执行引擎：负责执行class文件中包含的字节码指令；
3. 本地方法接口：主要是调用C或C++实现的本地方法及返回结果。
4. 内存区（也叫运行时数据区）：是在JVM运行的时候操作所分配的内存区。
生动易懂的说明，参见：http://blog.csdn.net/yfqnihao/article/details/8289363
四、运行时数据区（Runtime Data Areas）
运行时内存区包含如下 5个部分：
The pc Register（程序计数器，Program Counter Register）
JVM Stacks（虚拟机栈，包含很多 “栈帧Frame”）
—— 在JVM Spec v1.0版本中 叫做 “Java Stack”
Heap（堆）
Method Area（方法区）
方法区包括：Run-Time Constant Pool（运行时常量池）
Native Method Stacks（本地方法栈）
由于这部分内容比较多，单独开了一篇，见《JVM运行时数据区》。
五、其他
1、对象的内存布局
在 Hotspot 虚拟机中，对象在内存中的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。
Hotspot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的自身运行时数据（哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等），另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。
实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。
对齐填充部分不是必然存在的，也没有什么特别的含义，仅仅起占位作用。 因为 Hotspot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
2、对象的访问定位
建立对象就是为了使用对象，我们的Java程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式有虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：
1）句柄
如果使用句柄的话，那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，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。
即：reference(句柄地址）--->JVM堆 ( 句柄池--->对象实例数据 )
2）直接指针
如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象的地址。
即：reference(数据指针地址）--->JVM堆 ( 对象实例数据 )
这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。
对HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问。