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每个Java程序都与Java虚拟机不可分割，并且Java程序运行在特定的Java虚拟机实例上。在Java虚拟机规范中，这些术语由子系统、内存区、数据类型和说明来描述。这些组件一起在一个抽象的虚拟机中展示了一个抽象的体系结构。
Java虚拟机主要分为五个模块：类加载器子系统、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口和垃圾收集模块。垃圾收集模块在Java虚拟机规范中不需要Java虚拟机的垃圾收集，但大多数JVM实现在发明无限内存之前都是垃圾收集。运行时数据区以某种形式存在于每个Java虚拟机实例中，但Java虚拟机规范相当抽象。这些运行时数据结构的细节大多由特定的实现设计者决定。
Java虚拟机不是一个真正的物理机，它没有寄存器，所以指令集是使用Java堆栈来存储中间数据，目的是保持Java虚拟机的指令集尽可能紧凑，同时也促进Java平台上的虚拟机。此外，这种基于堆栈的Java虚拟机架构有助于对某些虚拟机在运行时实现的动态编译器和即时编译器进行代码优化。

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