Java虚拟机在执行Java程序的过程中会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域有各自的用途，及创建和销毁的时间，有些区域随虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束来建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域，如图（图片引自网络）：
程序计数器（Program Counter Register）
程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看做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，字节码解释器就是通过改变该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JVM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，每一个JVM线程都需要一个独立的程序计数器，各线程间的计数器互不影响，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；如果是Native方法，那么计数器的值为空（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。
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）
与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，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：每个方法被执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直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。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位长度的long和double会占用2个局部变量空间（Slot），其余数据类型只占用1个。局部变量表所需的空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，其需要在帧中分配多大的局部变量空间是确定的，方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
Java虚拟机规范中对该区域规定了两种异常情况：
- 如线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError异常。
- 虚拟机栈动态扩展无法申请到足够的内存时，抛出OutOfMemoryError异常。
本地方法栈（Native Method Stack）
Java虚拟机可能会使用到传统的栈来支持Native方法（使用Java语言以外的其它语言编写的方法）的执行，这个栈就是本地方法栈。本地方法栈与虚拟机栈非常类似，区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范对本地方法栈中的方法是用语言、使用方式与数据结构没强制规定，因此虚拟机可以自由实现，如Sun HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。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 Heap）
Java堆是Java虚拟机管理的内存中最大的一块，是所有线程共享的内存区域，随虚拟机的启动而创建。该区域唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象的实例都在堆里面分配。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，被称作“GC堆”。
Java虚拟机规范规定，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，如同磁盘空间一样，在实现时，既可以实现成固定大小，也可以是扩展的，当前主流虚拟机都是按照扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。
Java虚拟机规范中对该区域规定了OutOfMemoryError异常：
- 如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法再扩展，则抛出OutOfMemoryError异常。
方法区（Method Area）
方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，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（Just In Time, JIT）后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做“Non-Heap（非堆）”。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署的开发者来说，很多人更愿意把方法区称为“永久代（Permanent Generation）”，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队把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，对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代概念的。
Java虚拟机对这个区域的限制非常宽松，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者可扩展外，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，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以另人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但这部分区域的回收确实是必要的。
Java虚拟机规范中对该区域规定了OutOfMemoryError异常：
- 如果方法区的内存空间不能满足内存分配请求，将抛出OutOfMemoryError异常。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）
运行是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、接口等信息外，还有一项信息是常量池（称作Class文件常量池，可用javap *.cllass查看），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后存放到方法区的常量池中。
Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性：Java语言并不要求常量一定只有在编译器才能产生，也就是并不是只有预置入Class文件中常量池中的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被用的最多的便是String.intern()方法。
Java虚拟机规范中对该区域规定了OutOfMemoryError异常：
- 当常量池无法申请到内存时抛出OutOfMemoryError异常。
直接内存（Direct Memory）
直接内存并不是虚拟机运行时数据区域的一部分，也非Java虚拟规范中定义的内存区域，但这部分内存也被频繁使用，并且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
JDK1.4中加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小及处理器寻址空间的限制。在配置JVM参数时，会根据实际内存的大小来设置-Xmx等参数信息，如果忽略了直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理级和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时抛出OutOfMemoryError异常。
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