运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存的将会包括以下几个运行时数据区域，如下图：

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间。可以当成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的模型中，字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任一时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各个线程之间计数器互不影响，独立存储。因此，程序计数器是线程私有的。

如果线程执行的是Java方法，那程序计数器保存的是正在执行的虚拟机字节码指令地址。如果是Native方法，则计数器值为空(Undefined)。

程序计数器区域是唯一一个不会出现OutOfMemoryError异常情况的。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的，其生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表用于存储基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

操作数栈通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问，而不是通过访问索引来进行数据访问的。每一个操作数栈都有一个明确的栈深度用于存储数据，一个单位的栈深度可存储一个32位数据，两个单位的栈深度可存储一个64位数据。操作数栈所需的内存空间在编译期间完成分配。

操作数栈作为虚拟机的工作区，大多数的指令在这里执行运算，然后将运算结果入栈。

Java虚拟机规范规定了虚拟机栈区域的两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内容，将抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务的，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务的。

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆(Java Heap)是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机创建时创建。堆用于存储对象实例，几乎所有的对象实例在这里分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要是逻辑上是连续即可。如果堆没有内存完成实例分配并对也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区(Method Area)与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量(Runtime Constan Pool)是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时，将抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的部分，也不是Java虚拟机规范定义的内存区域。

在NIO(New Input/Ouput)中，引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样在一些场景中能避免在Java堆和Native堆中来回复制数据，显著提高了性能。

直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

参考

《深入理解Java虚拟机》