运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

1. 程序计数器

Java虚拟机可以支持多个线程同时执行。每个线程都有自己的程序计数器。在任何时候，每个线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。如果该方法不是native方法，则程序计数器包含当前正在执行的JVM指令的地址。如果是native方法，则计数器的值是未定义（undefined）。JVM的程序计数器足够宽，可以在特定平台上保存返回地址（returnAddress）或本地指针（native pointer）。

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时通过改变这个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，在任何一个确定的时刻，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，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器的值为空（Undefined）。
此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2. 虚拟机栈

每个线程都有一个私有虚拟机栈，与线程同时创建。虚拟机栈存储栈帧。虚拟机栈类似于C等传统语言的栈：它包含局部变量和部分结果，并在方法调用和返回中发挥作用。因为除了推送和弹出帧外，虚拟机栈永远不会被直接操纵，所以栈帧可能会被堆分配。虚拟机栈的内存不需要是连续的。

在Java®虚拟机规范的第一版中，Java虚拟机栈被称为Java栈。

此规范允许虚拟机栈具有固定大小，或根据计算需要动态扩展和收缩。如果虚拟机栈的大小是固定的，则可以在创建栈时独立选择每个虚拟机栈的大小。

虚拟机实现可以为程序员或用户提供对虚拟机栈初始大小的控制，以及在动态扩展或收缩虚拟机栈的情况下，对最大和最小大小的控制。

以下异常情况与虚拟机栈有关：

• 如果线程中的计算需要比允许的更大的虚拟机栈，则虚拟机会抛出StackOverflowError。
• 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且尝试了扩展，但内存不足以实现扩展，或者如果内存不足以创建新线程的初始虚拟机栈，则JVM会抛出OutOfMemoryError。

与程序计数器一样，虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。它描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈桢用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈桢在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack）。这种方法比较粗糙，实际上的划分远比这复杂。这种划分方式只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。

局部变量表

这里存储了编译期可知的各种基本数据类型（boolean/byte/short/char/int/long/float/double）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

reference类型：它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置。

64位长度的long/double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需要的内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

这个区域有两种异常状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
• 如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError异常

当前大部分的JVM都可以动态扩展，只不过JVM规范中也允许固定长度的虚拟机栈。

3. 本地方法栈

Java虚拟机的实现可以使用传统的栈（俗称“C栈”）来支持本机方法（用Java编程语言以外的语言编写的方法）。Native方法栈也可以由Java虚拟机指令集的解释器在C等语言中的实现使用。不能加载native方法并且本身不依赖于传统栈的Java虚拟机实现不需要提供native方法栈。如果提供，则通常在创建每个线程时为每个线程分配native方法栈。
此规范允许native方法栈具有固定大小，或根据计算需要动态扩展和收缩。如果native方法栈的大小是固定的，则可以在创建该栈时独立选择每个native方法栈的大小。

Java虚拟机实现可以为程序员或用户提供对native方法栈初始大小的控制，以及在native方法栈大小不同的情况下，对最大和最小方法栈大小的控制。

以下异常情况与native方法堆栈有关：

• 如果线程中的计算需要比允许的更大的native方法堆栈，Java虚拟机会抛出StackOverflowError。
• 如果native方法栈可以动态扩展，并且尝试了native方法栈扩展，但可用内存不足，或者没有足够的内存为新线程创建初始native方法栈，Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError。

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机使用的native方法服务。
虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（如HotSpot）直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

4. 堆

Java虚拟机有一个堆，在所有Java虚拟机线程之间共享。堆是运行时数据区域，从中为所有类实例和数组分配内存。
堆是在虚拟机启动时创建的。对象的堆存储由自动存储管理系统（称为垃圾收集器）回收；对象永远不会被显式释放。Java虚拟机不采用特定类型的自动存储管理系统，可以根据实现者的系统要求选择存储管理技术。堆的大小可以是固定的，也可以根据计算的需要进行扩展，如果不需要更大的堆，则可以进行收缩。堆的内存不需要是连续的。

Java虚拟机实现可以为程序员或用户提供对堆初始大小的控制，以及如果堆可以动态扩展或收缩，则可以控制最大和最小堆大小。

以下异常情况与堆有关：
+如果计算需要的堆空间大小超过自动存储管理系统可用的堆，Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError。

对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中的最大一块。它是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都要在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。因此很多时候也被称作GC堆。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分：新生代和老年代；再细致一些的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（ThreadLocal Allocation Buffer, TLAB）。
不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
根据Java虚拟机规范，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5. 方法区

Java虚拟机有一个在所有Java虚拟机线程之间共享的方法区域。方法区类似于传统语言编译代码的存储区，或类似于操作系统进程中的“文本”段。它存储每个类的结构，如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括在类和实例初始化以及接口初始化中使用的特殊方法。
方法区域在虚拟机启动时创建。虽然方法区域在逻辑上是堆的一部分，但简单的实现可能会选择不进行垃圾收集或压缩。本规范并不强制要求方法区域的位置或用于管理编译代码的策略。方法区域可以是固定大小的，也可以根据计算的需要扩展，如果不需要更大的方法区域，则可以收缩。方法区域的内存不需要是连续的。

Java虚拟机实现可以为程序员或用户提供对方法区域初始大小的控制，以及在方法区域大小变化的情况下，对最大和最小方法区域大小的控制。

以下异常情况与方法区域有关：

• 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，Java虚拟机将抛出OutOfMemoryError。

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，它还有一个别名：Non-Heap（非堆）。
在HotSpot中，很多人更愿意把方法区叫做永久代，Permanent Generation。本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。这样HotSpot的垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。
原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限）。
Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样永久存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
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

运行时常量池是class文件中constant_pool表的每个类或每个接口的运行时表示。它包含几种常量，从编译时已知的数字文字到必须在运行时解析的方法和字段引用。运行时常量池的功能类似于传统编程语言的符号表，尽管它包含的数据范围比典型的符号表更广。
每个运行时常量池都是从Java虚拟机的方法区域分配的。类或接口的运行时常量池是在Java虚拟机创建类或接口时构建的。
以下异常情况与类或接口的运行时常量池的构造有关：

• 创建类或接口时，如果运行时常量池的构造需要比Java虚拟机的方法区域中可用的内存更多的内存，则Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成 的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
NIO引入了一种基于通道与缓冲区的IO方式，它可以使用native函数直接分配堆外内存，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。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆与Native堆中来回复制数据。