Java被稱為是一個人類可讀的編程語言，其主要特點是基於類和面向對象，Java的開源版本被稱為OpenJDK。Java編程環境由兩個部分組成：Java語言和運行環境，運行環境也稱為Java虛擬機（JVM），JVM是一個為執行Java程序提供運行時環境的程序。本文主要探討JVM的實現機制。
解釋之前，先上一張圖嚇一下大家：
這張圖中我們需要注意的是，JVM的核心組件包括三個部分：Heap, JIT Compiler, GC, 當我們要優化JVM的性能的時候主要調優的目標是這三個組件。
JVM負責解釋執行字節碼文件，所有平台上的JVM向編譯器提供相同的編程接口，而編譯器只需要面向虛擬機，生成虛擬機能理解的代碼，然後由虛擬機來解釋執行。JVM是一個為執行Java程序提供運行時環境的程序。沒有JVM，Java程序也就不能執行。一個Java程序通常通過以下的方式執行：
java <arguments> <program name>
首先操作系統會啟動JVM進程為Java程序提供運行時環境，然後會在剛啟動的虛擬機中執行我們的Java程序。需要注意的是，Java程序首先要被轉換（編譯）成Java字節碼（bytecode），JVM上運行的是Java字節碼程序。JVM可以看成是一個JAVA字節碼程序解釋器。
Write Once, Run anywhere
當使用Java編譯器編譯Java程序時，生成的是與平台無關的字節碼，這些字節碼不面向任何具體平台，它只面向JVM。不同平台的JVM都是不同的，但它們都提供了相同的接口。JVM是Java程序跨平台的關鍵部分，只要為不同平台實現了相應的虛擬機，編譯後的Java字節碼就可以在該平台上運行。
JVM收集運行時信息以為如何執行代碼做出更好的決策。這意味著JVM能夠自動模擬和優化運行在它上面的程序。JVM在Java程序和操作系統間形成了一個中間層，使得開發者不用過多的處理和操作系統相關的具體細節問題。
JVM的另一個好處是，任何能夠編譯成字節碼的語言都可以在它上面運行，不僅僅是Java，比如Groovy, Scala和Clojure這些基於JVM的語言。這也意味著，這些語言可以輕松的使用其他語言寫的函數庫。例如一個Scala開發者可以調用Java庫，因為他們運行在相同的平台上。
從實際硬件上隔離出來，意味著Java代碼就像一個沙盒，這可以避免一運行有害代碼對機器硬件造成的傷害。安全性是JVM的主要好處之一。需要注意的是，並不是所有的JVM都是相同的，在Oracle的標准JVM實現標准之上還存在很多其他的實現方式。而我們主要討論的是HotSport JVM，這也是OpenJDK和Oracle JVM的實現基礎。
正如我們之前討論的，JVM運行的是字節碼。但是，如果有一段代碼會被頻繁的執行，那麼JVM可以決定將這段代碼編譯為機器碼（native code）以加快這段代碼的執行速度。JIT可編譯的最小執行塊是一個方法。默認情況下，一個代碼塊需要被執行1500次才會被JIT編譯，這個次數是可配置的。利用JIT機制可以有效的提升系統的性能，但是，JIT編譯並不是無代價的，其需要耗費額外的系統資源和時間。
在Java中，對象所占用的內存在對象不再使用後會自動被回收。這些工作是由一個叫垃圾回收器Garbage Collector的進程完成的。相比較C/C++程序而言，你必須手動調用free()函數或delete操作符來回收內存。在這裡我們主要討論的是HotSpot JVM（這也是OpenJDK和Oracle Java的實現基礎），事實上，還有很多其他的JVM實現方式。
好處是
壞處是
在了解更多關於GC的問題之前有必要理解Java內存中的堆區（Heap）事如何工作的。所有的對象都存在於堆中（與此對應的是棧，這裡初訪者變量和方法，以及堆中對象的引用）。垃圾回收的過程也就是將堆區中不再需要對象清除的過程。幾乎所有的GCs都是“分代的（generational）”，也就是說堆區會劃分成很多的區塊，也稱為代。Hotspot的堆結構如下圖所示：
大多數的應用中持有的對象很大部分是短生命周期的，這被稱為“Weak generational hypothesis”。在垃圾回收期間分析應用中所有的對象是一件緩慢而耗時的工作，因此可以將短生命周期的對象在其被創建時就分隔出來。因此New Generation可以進一步劃分為：
minor GC便會出現。然後所有仍然被引用的對象被移動到幸存者空間中。New Generation中的GC也被稱為minor GC。使用New Generation的好處是可以減少分片帶來的影響。
任何從New Generation中的幸存者空間中幸存下來的對象會被送往Old Generation。Old Generation通常比New Generation大很多。存在於Old Generation中的GC也被稱為Full GC。Full GC可以執行“Stop The World”機制，並且通常會占用更長的時間，因此Full GC也稱為絕大不多的JVM可以進行優化的地方。
Permanent Generation用於存放類的元信息。在Java 8中其被metaspace所取代。通常Permanent Generation無需為了確保其有足夠空間而被優化，但是當類沒有被正確上傳時，其仍有可能發生內存洩露的情況。
Java所支持的垃圾回收機制有效的減少了內存溢出的發生。內存溢出意味著當分配出去的內存卻永遠都沒有被回收。雖然JVM能夠自動回收那些沒有被使用的對象所占用的內存，但事實上，Java中還是回發生內存溢出現象。假設存在一個有效的（但是沒有被使用）對象引用指向一個沒有被使用的對象，這會導致該對象一直占用著內存。
舉例來說，當一個方法需要運行很長的時間（或者永遠都在運行），方法中的局部變量可以在長時間的持有對象引用，而這遠超出自己實際需要的時間。代碼如下：
public static void main(String args[]) {
int bigArray[] = new int[1000];
int result = compute(bigArray);
// We no longer need bigArray. It will get garbage collected when
// there are no more references to it. Because bigArray is a local
// variable, it refers to the array until this method returns. But
// this method doesn't return. So we've got to explicitly get rid
// of the referenceourselves, so the garbage collector knows it can
// reclaim the array.
bigArray = null;
// Loop forever, handling the user's input
for(;;) handle_input(result);
}
內存洩露也會出現在你使用類似於HashMap這類數據結構時將一個對象與另一個對象相關聯的情況。即使兩個對象都不再被需要了，這種關聯仍會存在於hash表中，除非hash表本身被垃圾回收器回收了，否則其中的關聯對象會一直占用內存。如果hash表會運行相當長的時間的話，那麼內存洩露便會發生。
這應該是個有意思的問題。答案是可以，也不可以。我們可以調用System.gc()方法建議JVM執行垃圾回收。然後，並沒有任何保證說JVM一定會執行該操作。作為開發者，我們無法知曉JVM是否執行了我們的代碼。並且，通常認為使用System.gc()是個很不明智的做法。
finalize()方法存在於java.lang.Object類中，可以被所有對象所使用。默認情況下其不執行任何動作。當垃圾回收器確定了一個對象沒有任何引用時，其會調用finalize()方法。但是，finalize方法並不一定會被執行，因此也不建議覆寫finalize()該方法。