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1. 定义与基本概念
- JVM（Java Virtual Machine）即Java虚拟机，是Java程序的运行核心。它是一个虚构出来的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来运行Java字节码。字节码是一种中间格式，它使得Java程序能够实现“一次编写，到处运行”的特性。
2. 运行机制
- 类加载机制
- 包括加载、验证、准备、解析和初始化这几个阶段。加载阶段是将类的字节码文件加载到内存中；验证阶段是确保字节码文件的正确性和安全性；准备阶段是为类的静态变量分配内存并设置默认初始值；解析阶段是将符号引用转换为直接引用；初始化阶段是执行类构造器方法，对类的静态变量进行赋值操作。
- 执行引擎
- 它负责执行字节码指令。有多种执行方式，如解释执行和即时编译（JIT）。解释执行是逐行解释字节码并执行，速度相对较慢。JIT编译器会在程序运行过程中，将热点代码（经常被执行的代码）编译成机器码，这样后续执行这些代码时就可以直接以机器码的速度运行，大大提高了执行效率。
3. 内存结构
- 程序计数器
- 是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在多线程环境下，每个线程都有自己独立的程序计数器，用于记录当前线程执行的位置，这样当线程切换回来时能够知道从哪里继续执行。
- Java虚拟机栈
- 每个Java方法在执行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。随着方法的调用和返回，栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈。它是线程私有的，生命周期与线程相同。
- 本地方法栈
- 与Java虚拟机栈类似，不过它是为本地（Native）方法服务的，本地方法是用其他语言（如C、C++）编写并通过JNI（Java Native Interface）调用的方法。
- 堆
- 是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，它是所有线程共享的区域。主要用于存放对象实例和数组。垃圾收集器主要就是回收堆中不再使用的对象占用的空间，以避免内存泄漏。
- 方法区
- 用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。它也是各个线程共享的内存区域。在Java 8之后，永久代（PermGen）被元空间（Metaspace）取代，元空间使用本地内存，而不是虚拟机内存。
4. 垃圾回收（GC）
- JVM的垃圾回收机制自动回收不再使用的对象所占用的内存空间。有多种垃圾回收算法，如标记 - 清除算法、复制算法、标记 - 整理算法等。不同的垃圾回收器会采用不同的算法组合。例如，Serial GC是一个单线程的垃圾回收器，适合于单核CPU的小型应用；Parallel GC是多线程的垃圾回收器，可以提高垃圾回收的效率；CMS（Concurrent Mark Sweep）GC是一种以获取最短回收停顿时间为目标的垃圾回收器，适用于对响应时间要求较高的应用。
5. 重要性和应用场景
- JVM的存在使得Java语言具有高度的可移植性，开发人员可以专注于编写代码，而不用担心底层操作系统和硬件的差异。它广泛应用于企业级应用开发、安卓应用开发（Android使用了经过改造的JVM）、大数据处理（如Hadoop生态系统中的部分组件）等众多领域。