Java体系结构包括四个相互关联的技术:Java语言、Java API、class文件和Java虚拟机,其中Java虚拟机是整个体系的核心部分,它使Java程序在不同的计算机系统之间具备高度的可移植性。本文研究虚拟机的类装载器、执行引擎和垃圾收集三方面的机制,所做的工作如下:对类装载器相关方面的阐述,包括class文件格式、常量池解析、双亲委派模型和类的动态装载技术,并对常量池的Utf8_info表进行了改进,传统的类名存储方式是把所有类的全限定名分别存储于Utf8_info表中,此方式产生了许多冗余的信息,改进的方法把类的全限定名分离为不同的结点,减少整个类的字符串在常量池中所占据的大小,这使得在内存有限的系统中装载class文件后能减少对存储空间的占用。对于Java虚拟机的执行引擎,讨论了以堆栈为工作区的机制,介绍了虚拟机的指令系统的功能,探讨了相关的执行技术,最后根据Java虚拟机规范,设计与实现了部分有代表性的虚拟机指令的功能。在虚拟机的存储管理方面,对比了传统存储管理与Java体系中存储管理的异同,讨论了现有的垃圾收集算法,提出了对火车算法失效情况下的处理方案,最后按照Java虚拟机中分代的思想在一种嵌入式虚拟机KVM上设计了一个分代回收方案,该方案简单地把Java内存堆分为新生代和旧生代,实验结果表明,分代后的垃圾收集相比于默认的垃圾收集效果有了部分的提升。