2.1 谋全局者才能成大器：看穿Java虚拟机的架构

Java虚拟机的基本结构如图2.1所示。

图2.1 Java虚拟机的基本结构

类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间中。除了类的信息，方法区中可能还会存放运行时常量池信息，包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）。

Java堆在虚拟机启动的时候建立，它是Java程序最主要的内存工作区域。几乎所有的Java对象实例都存放于Java堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与Java应用密切相关的内存区域。

Java的NIO库允许Java程序使用直接内存。直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区域。通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。因此，出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在Java堆外，因此，它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统的最大内存。

垃圾回收系统是Java虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、Java堆和直接内存进行回收。其中，Java堆是垃圾收集器的工作重点。和C/C++不同，Java中所有的对象空间释放都是隐式的。也就是说，Java中没有类似free()或者delete()这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作，默默查找、标识并释放垃圾对象，完成包括Java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。有关垃圾回收系统的更多信息，可以参阅第4章和第5章。

每一个Java虚拟机线程都有一个私有的Java栈。一个线程的Java栈在线程创建的时候被创建。Java栈中保存着帧信息（参阅2.4节），Java栈中保存着局部变量、方法参数，同时和Java方法的调用、返回密切相关。

本地方法栈和Java栈非常类似，最大的不同在于Java栈用于Java方法的调用，而本地方法栈则用于本地方法的调用。作为对Java虚拟机的重要扩展，Java虚拟机允许Java直接调用本地方法（通常使用C语言编写）。

PC（Program Counter）寄存器也是每个线程私有的空间，Java虚拟机会为每一个Java线程创建PC寄存器。在任意时刻，一个Java线程总是在执行一个方法，这个正在被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令。如果当前方法是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined。

执行引擎是Java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。执行引擎的进一步描述可以参阅第11章。