目前实现虚拟机规范的虚拟机有三种：Sun公司的HotSpot虚拟机、Oracle公司的JRockit虚拟机、IBM公司的J9虚拟机。其中Sun公司的HotSpot虚拟机是我们最常用的虚拟机。

JVM的基本结构一般如下图所示：

由上图可知JVM基本结构包括：类加载器、JVM运行时数据区、执行引擎、本地库接口 。

这里我们说明一下JVM运行时数据区，运行时内存区主要可以划分为5个区域：

   ♦ 虚拟机栈 ( Java Virtual Machine Stacks )

   ♦ 本地方法栈 ( Native Method Stacks )

   ♦ 程序计数器 ( Program Counter (PC) Register )

   ♦ 方法区 ( Method Area )

   ♦ 堆内存 ( Heap )

接下里就详细说明一下这些区域的区别：

1. 虚拟机栈 ( Java Virtual Machine Stacks )

Java虚拟机栈是线程私有的，生命周期与线程相同。

Java虚拟机栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么 在 使用 递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。

由于栈帧的进出栈，显而易见的带来了空间分配上的问题。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；如果虚拟机栈可以扩展，扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError，这种情况大多数是由于循环调用或递归调用带来的。

下图表示了一个Java栈的模型：

   局部变量表：就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静 态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

   操作数栈：想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

   指向运行时常量池的引用：因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

   方法返回地址：当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

　　由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

2. 本地方法栈 ( Native Method Stacks )

本地方法栈是线程私有的。

Java官方对于本地方法的定义为methods written in a language other than the Java programming language，就是使用非Java语言实现的方法，但是通常我们指的一般为C或者C++，因此这个栈也有着C栈这一称号。一个不支持本地方法执行的JVM没有必要实现这个数据区域。本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java虚拟机栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。其大小也是可以设置为固定值或者动态增加，因此也会对应抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError错误。

3. 程序计数器 ( Program Counter (PC) Register )

程序计数器是线程私有的，生命周期与线程相同。

程序计数器（Program Counter Register），也有称作为PC寄存器。想必学过汇编语言的朋友对程序计数器这个概念并不陌生，在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。

虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示 执行哪条指令的。

由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。

在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。

由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

4. 方法区 ( Method Area )

方法区是线程共享区域，生命周期与JVM相同。

　　方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

　　在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

　　在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。

　　在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后，Hotspot虚拟机便将运行时常量池从永久代移除了。HotSpot虚拟机中JDK1.8开始使用元空间取代永久代。

① 方法区的特点：

　　• 1、方法区是线程安全的，由于所有的线程都共享方法区，所以方法区里的数据访问必须被设计成线程安全的。

　　• 2、方法区的大小不必是固定的，JVM可根据应用需要动态调整。

　　• 3、方法区也可被垃圾收集，当某个类不在被使用(不可触及)时，JVM将卸载这个类，进行垃圾收集。

HotSpot 虚拟机，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation）。本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念的。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

③ 方法区内存大小设置：

JDK8中永久代被移除了，取而代之的是元数据区。

不同的是元数据区是堆外直接内存，与永久代区不同，在不指定大小的情况下，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

元数据区发生溢出，虚拟机一样抛出异常：java.lang.OutOfMemoryError Metaspace

5. 堆 ( Heap )

堆是线程共享区域，生命周期与JVM相同。

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。在虚拟机启动时创建。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。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；新生代又可以细分为Eden空间、From Survivor空间(S0)和To Survivor空间(S1)。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

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。

堆大小 = 新生代 + 老年代。其中，堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。

默认情况下，老年代 ( Old ) 与新生代 ( Young ) 的比例的值为 2 ：1( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。

通过-XX:NewRatio参数指定老年代/新生代的堆内存比例。在HotSpot虚拟机中，堆内存 = 新生代 + 老年代。如果 -XX:NewRatio = 4，表示老年代与新生代所占比值为 4 ：1，新生代占整个堆内存的1/5，老年代占整个堆内存的4/5。在设置了-XX:MaxNewSize的情况下，-XX:NewRatio的值会被忽略，老年代的内存 = 堆内存 - 新生代内存。老年代的最大内存 = 堆内存 - 新生代最大内存。

5.1 新生代

程序新创建的对象都是从新生代分配内存(新生代中绝大部分对象都是“朝生夕死”)，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space(通常又称S0和S1或From和To)构成。

可通过-Xmn参数来指定新生代的大小；也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space及SurvivorSpace的大小。

新生代的大小可以通过参数-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize(-Xmn)指定JVM启动时分配的新生代内存大小和新生代最大内存大小；

新生代中Eden和From Survivor空间(S0)或To Survivor空间(S1)的比例默认为8：1，也即 Eden：From Survivor：To Survivor = 8：1：1 (该比例可以通过参数-XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，From Survivor(S0) = To Survivor (S1) = 1/10 的新生代空间大小。 JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块Survivor 区域是空闲着的。新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间

5.2 老年代

老年代主要存放比较大的对象或者JVM认为生命周期比较长的对象(经过几次新生代的垃圾回收后仍然存在)，垃圾回收也相对没有那么频繁。老年代的垃圾回收(又称Major GC)通常使用“标记-清除”或“标记-整理”算法(依据垃圾回收器而定)。整个堆空间(新生代和老年代)的垃圾回收称为Full GC。

6. JVM虚拟机规范的小结