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Java是一種技術，它由四方面組成：Java程式設計語言、Java類檔案格式、Java虛拟機和Java應用程式接口(Java API)。它們的關系如下圖所示：
運作期環境代表着Java平台，開發人員編寫Java代碼(.java檔案)，然後将之編譯成位元組碼(.class檔案)，再然後位元組碼被裝入記憶體，一旦位元組碼進入虛拟機，它就會被解釋器解釋執行，或者是被即時代碼發生器有選擇的轉換成機器碼執行。
Java平台由Java虛拟機和Java應用程式接口搭建，Java語言則是進入這個平台的通道，用Java語言編寫并編譯的程式可以運作在這個平台上。這個平台的結構如下圖所示：
在Java平台的結構中, 可以看出，Java虛拟機(JVM) 處在核心的位置，是程式與底層作業系統和硬體無關的關鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：擴充卡和Java作業系統, 其中依賴于平台的部分稱為擴充卡；JVM 通過移植接口在具體的平台和作業系統上實作；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴充類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應用程式(application) 和小程式(Java applet) 可以在任何Java平台上運作而無需考慮底層平台, 就是因為有Java虛拟機(JVM)實作了程式與作業系統的分離，進而實作了Java 的平台無關性。
JVM在它的生存周期中有一個明确的任務，那就是運作Java程式，是以當Java程式啟動的時候，就産生JVM的一個執行個體；當程式運作結束的時候，該執行個體也跟着消失了。下面我們從JVM的體系結構和它的運作過程這兩個方面來對它進行比較深入的研究。
1、Java虛拟機的體系結構
·每個JVM都有兩種機制：
①類裝載子系統：裝載具有适合名稱的類或接口
②執行引擎：負責執行包含在已裝載的類或接口中的指令
·每個JVM都包含：
方法區、Java堆、Java棧、本地方法棧、指令計數器及其他隐含寄存器
對于JVM的學習，在我看來這麼幾個部分最重要：
Java代碼編譯和執行的整個過程
JVM記憶體管理及垃圾回收機制
下面分别對這幾部分進行說明：
2、Java代碼編譯和執行的整個過程
也正如前面所說，Java代碼的編譯和執行的整個過程大概是：開發人員編寫Java代碼(.java檔案)，然後将之編譯成位元組碼(.class檔案)，再然後位元組碼被裝入記憶體，一旦位元組碼進入虛拟機，它就會被解釋器解釋執行，或者是被即時代碼發生器有選擇的轉換成機器碼執行。
（1）Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來完成，也就是Java代碼到JVM位元組碼（.class檔案）的過程。 流程圖如下所示：
（2）Java位元組碼的執行是由JVM執行引擎來完成，流程圖如下所示：
Java代碼編譯和執行的整個過程包含了以下三個重要的機制:
·Java源碼編譯機制
·類加載機制
·類執行機制
（1）Java源碼編譯機制
Java 源碼編譯由以下三個過程組成：
①分析和輸入到符号表
②注解處理
③語義分析和生成class檔案
流程圖如下所示：
最後生成的class檔案由以下部分組成：
①結構資訊：包括class檔案格式版本号及各部分的數量與大小的資訊
②中繼資料：對應于Java源碼中聲明與常量的資訊。包含類/繼承的超類/實作的接口的聲明資訊、域與方法聲明資訊和常量池
③方法資訊：對應Java源碼中語句和表達式對應的資訊。包含位元組碼、異常處理器表、求值棧與局部變量區大小、求值棧的類型記錄、調試符号資訊
（2）類加載機制
JVM的類加載是通過ClassLoader及其子類來完成的，類的層次關系和加載順序可以由下圖來描述：
①Bootstrap ClassLoader
負責加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar裡所有的class，由C++實作，不是ClassLoader子類
②Extension ClassLoader
負責加載java平台中擴充功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包
③App ClassLoader
負責記載classpath中指定的jar包及目錄中class
④Custom ClassLoader
屬于應用程式根據自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會根據j2ee規範自行實作ClassLoader
加載過程中會先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐層檢查，隻要某個classloader已加載就視為已加載此類，保證此類隻所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來逐層嘗試加載此類。
（3）類執行機制
JVM是基于堆棧的虛拟機。JVM為每個新建立的線程都配置設定一個堆棧.也就是說,對于一個Java程式來說，它的運作就是通過對堆棧的操作來完成的。堆棧以幀為機關儲存線程的狀态。JVM對堆棧隻進行兩種操作:以幀為機關的壓棧和出棧操作。
JVM執行class位元組碼，線程建立後，都會産生程式計數器（PC）和棧（Stack），程式計數器存放下一條要執行的指令在方法内的偏移量，棧中存放一個個棧幀，每個棧幀對應着每個方法的每次調用，而棧幀又是有局部變量區和操作數棧兩部分組成，局部變量區用于存放方法中的局部變量和參數，操作數棧中用于存放方法執行過程中産生的中間結果。棧的結構如下圖所示：
3、JVM記憶體管理及垃圾回收機制
JVM記憶體結構分為：方法區（method），棧記憶體（stack），堆記憶體（heap），本地方法棧（java中的jni調用），結構圖如下所示：
（1）堆記憶體（heap）
所有通過new建立的對象的記憶體都在堆中配置設定，其大小可以通過-Xmx和-Xms來控制。
作業系統有一個記錄空閑記憶體位址的連結清單，當系統收到程式的申請時，會周遊該連結清單，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然後将該結點從空閑結點連結清單中删除，并将該結點的空間配置設定給程式，另外，對于大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首位址處記錄本次配置設定的大小，這樣代碼中的delete語句才能正确的釋放本記憶體空間。但由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的将多餘的那部分重新放入空閑連結清單中。這時由new配置設定的記憶體，一般速度比較慢，而且容易産生記憶體碎片，不過用起來最友善。另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc配置設定記憶體，它不是在堆，也不是在棧，而是直接在程序的位址空間中保留一塊記憶體，雖然這種方法用起來最不友善，但是速度快，也是最靈活的。堆記憶體是向高位址擴充的資料結構，是不連續的記憶體區域。由于系統是用連結清單來存儲的空閑記憶體位址的，自然是不連續的，而連結清單的周遊方向是由低位址向高位址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛拟記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。
（2）棧記憶體（stack）
在Windows下, 棧是向低位址擴充的資料結構，是一塊連續的記憶體區域。這句話的意思是棧頂的位址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在WINDOWS下，棧的大小是固定的（是一個編譯時就确定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，将提示overflow。是以，能從棧獲得的空間較小。隻要棧的剩餘空間大于所申請空間，系統将為程式提供記憶體，否則将報異常提示棧溢出。 由系統自動配置設定，速度較快。但程式員是無法控制的。
堆記憶體與棧記憶體需要說明：
基礎資料類型直接在棧空間配置設定，方法的形式參數，直接在棧空間配置設定，當方法調用完成後從棧空間回收。引用資料類型，需要用new來建立，既在棧空間配置設定一個位址空間，又在堆空間配置設定對象的類變量 。方法的引用參數，在棧空間配置設定一個位址空間，并指向堆空間的對象區，當方法調用完成後從棧空間回收。局部變量new出來時，在棧空間和堆空間中配置設定空間，當局部變量生命周期結束後，棧空間立刻被回收，堆空間區域等待GC回收。方法調用時傳入的literal參數，先在棧空間配置設定，在方法調用完成後從棧空間收回。字元串常量、static在DATA區域配置設定，this在堆空間配置設定。數組既在棧空間配置設定數組名稱，又在堆空間配置設定數組實際的大小。
如：
（3）本地方法棧（java中的jni調用）
用于支援native方法的執行，存儲了每個native方法調用的狀态。對于本地方法接口，實作JVM并不要求一定要有它的支援，甚至可以完全沒有。Sun公司實作Java本地接口(JNI)是出于可移植性的考慮，當然我們也可以設計出其它的本地接口來代替Sun公司的JNI。但是這些設計與實作是比較複雜的事情，需要確定垃圾回收器不會将那些正在被本地方法調用的對象釋放掉。
（4）方法區（method）
它儲存方法代碼(編譯後的java代碼)和符号表。存放了要加載的類資訊、靜态變量、final類型的常量、屬性和方法資訊。JVM用持久代（Permanet Generation）來存放方法區，可通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來指定最小值和最大值。
垃圾回收機制
堆裡聚集了所有由應用程式建立的對象，JVM也有對應的指令比如 new, newarray, anewarray和multianewarray，然并沒有向 C++ 的 delete，free 等釋放空間的指令，Java的所有釋放都由 GC 來做，GC除了做回收記憶體之外，另外一個重要的工作就是記憶體的壓縮，這個在其他的語言中也有類似的實作，相比 C++ 不僅好用，而且增加了安全性，當然她也有弊端，比如性能這個大問題。
4、Java虛拟機的運作過程示例
上面對虛拟機的各個部分進行了比較詳細的說明，下面通過一個具體的例子來分析它的運作過程。
虛拟機通過調用某個指定類的方法main啟動，傳遞給main一個字元串數組參數，使指定的類被裝載，同時連結該類所使用的其它的類型，并且初始化它們。例如對于程式：
編譯後在指令行模式下鍵入： java HelloApp run virtual machine
将通過調用HelloApp的方法main來啟動java虛拟機，傳遞給main一個包含三個字元串"run"、"virtual"、"machine"的數組。現在我們略述虛拟機在執行HelloApp時可能采取的步驟。
開始試圖執行類HelloApp的main方法，發現該類并沒有被裝載，也就是說虛拟機目前不包含該類的二進制代表，于是虛拟機使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進制代表。如果這個程序失敗，則抛出一個異常。類被裝載後同時在main方法被調用之前，必須對類HelloApp與其它類型進行連結然後初始化。連結包含三個階段：檢驗，準備和解析。檢驗檢查被裝載的主類的符号和語義，準備則建立類或接口的靜态域以及把這些域初始化為标準的預設值，解析負責檢查主類對其它類或接口的符号引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對類中聲明的靜态初始化函數和靜态域的初始化構造方法的執行。一個類在初始化之前它的父類必須被初始化。整個過程如下：
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