JVM的主要結構如下圖所示，圖片引用自舒の隨想日記。

方法區和堆由所有線程共享，其他區域都是線程私有的

程序計數器（Program Counter Register）

類似于PC寄存器，是一塊較小的內存區域，通過程序計數器中的值尋找要執行的指令的字節碼，由于多線程間切換時要恢復每一個線程的當前執行位置，所以每個線程都有自己的程序計算器。這一個區域不會有OutOfMemeryError。當執行Java方法時，這里存儲的執行的指令的地址，如果執行的是本地方法，這里的值是Undefined。

虛擬機棧（Java Stack）

虛擬機棧也是線程私有的，每創建一個線程，虛擬機就會為這個線程創建一個虛擬機棧，虛擬機棧表示Java方法執行的內存模型，每調用一個方法，就會生成一個棧幀（Stack Frame）用于存儲方法的本地變量表、操作棧、方法出口等信息，當這個方法執行完后，就會彈出相應的棧幀。

如果請求的棧的深度過大，虛擬機可能會拋出StackOverflowError異常，如果虛擬機的實現中允許虛擬機棧動態擴展，當內存不足以擴展棧的時候，會拋出OutOfMemoryError異常。

棧幀（Stack Frame）

棧幀分為三部分：局部變量區（Local Variables）、操作數棧（Operand Stack）和幀數據區（Frame Data）。

局部變量區（Loca Variables）

局部變量區被組織一個一個從0開始的字數組，byte、short、char在存儲前被轉換為int，boolean也被轉換為int，0表示false，非0表示true，long和double占據兩個字長。

操作數棧（Operand Stack）

操作數棧也被組織為一個字數組，但不同于局部變量區，它不是通過數組下標訪問的，而是能過棧的Push和Pop操作，前一個操作Push進的數據可以被下一個操作Pop出來使用。

幀數據區（Frame Data）

這部分的作用主要有三部分：

• 常量池中數據的解析
• 方法執行完后處理方法返回，恢復調用方現場
• 方法執行過程中拋出異常時的異常處理，存儲有一個異常表，當出現異常時虛擬機查找相應的異常表看是否有對應的Catch語句，如果沒有就拋出異常終止這個方法調用

本地方法棧（Native Method Stack）

與虛擬機棧類似，只是是執行本地方法時使用的。

方法區（Method Area）

用于存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯后的代碼等信息。

方法區是線程間共享的，當兩個線程同時需要加載一個類型時，只有一個類會請求ClassLoader加載，另一個線程會等待。

對于每一個加載的類型，會在方法區中保存以下信息：

• 類及其父類的全限定名（java.lang.Object沒有父類）
• 類的類型（Class or Interface）
• 訪問修飾符（public, abstract, final）
• 實現的接口的全限定名的列表
• 常量池
• 字段信息
• 方法信息
• 除常量外的靜態變量
• ClassLoader引用
• Class引用

對于每一個字段，會在方法區中保存以下信息（字段聲明順序也會保存）：

• 字段名
• 字段的類型
• 字段的修飾符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

對于每一個方法，會在方法區中保存以下信息（方法聲明順序也會保存）：

• 方法名
• 方法返回類型（或void）
• 參數信息
• 方法修飾符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

如果方法不是抽象方法并不是本地方法（Native Method），還會保存以下信息：

• 方法的字節碼
• 本地變量表及操作數棧的大小
• 異常表

虛擬機需要存儲一些數據，用來快速地訪問一個類對象中的方法，一般實現為一個方法表。

方法區中還有一部分是運行時常量池，主要用來存儲編譯時生成的字面量和符號引用，常量也可以在運行時產生，如String的intern方法。

方法區中也可能存在GC，但虛擬機規范對此不做要求，主要是回收一些常量和卸載一些不用的類型信息，不過要卸載一個類的條件很難達到，而且些處GC其實也回收不了多少內存。

堆（Heap）

虛擬機中用于存放對象與數組實例的地方，垃圾回收的主要區域就是這里（還可能有方法區）。

如果垃圾收集算法采用按代收集（目前大都是這樣），這部分還可以細分為新生代和老年代。

新生代又可能分為Eden區，From Survivor區和To Survivor區，主要是為了垃圾回收。所有的線程共享Java堆，在這里還可以劃分線程私有的緩沖區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

Java堆只要求邏輯上是連續的，在物理空間上可以不連續。

直接內存

JDK1.4中引用了NIO，并引用了Channel與Buffer，可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，并通過一個存儲在Java堆里面的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。

對象訪問

當新建一個對象時，會在堆中為這個對象分配內存，并在棧中有一個對這個對象引用，除此之外，在Java堆中還要能通過這個對象找到它的類型信息（對象類型，父類，實現的接口，包含的字段與方法等）。

Reference在Java虛擬機中定義為指向對象的引用，但沒有定義這個Reference應該有怎么實現。

一種實現是Reference直接存儲對象在堆內的地址，對象的類型信息可以在對象在堆中的內存布局中存儲，如存儲在對象內存的開頭等。

另一種實現是Reference指向一個句柄表中的一個位置，句柄中保存了對象的實際位置及它對應的類型信息。

使用句柄的好處是當在內存中移動對象的位置時，只需要更新句柄表中的內容，不需要改變引用值，但會多一次內存訪問開銷，直接引用的優缺點與此相反。

參考資料：

1. 深入Java虛擬機
2. 深入理解Java虛擬機-JVM高級特性與最佳實踐
3. 淺析Java虛擬機結構與機制