Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存劃分為若幹個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀的時間，有的區域隨著虛擬機進程的啟動而存在，有些區域則依賴用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀。根據《Java虛擬機規範（Java SE7版）》的規定，Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區域。如下圖所示

　　1. 程序計數器

　　程序計算器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它可以看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支、循環、中轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計算器來完成。

　　每條線程都有一個獨立的程序計算器，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，稱這類內存區域為“線程私有”的內存。

　　如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計算器值則為空（Undefined）。此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

2. Java虛擬機棧

　　與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調用直到執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

　　局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolen、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同對對象本身，可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

　　其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數據類型只占用1個。局部變量表所需要的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

　　在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也允許固定長度的虛擬機棧），如果擴展時無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。

3. 本地方法棧

　　本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務。有的虛擬機會把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

4. Java堆

　　Java堆是所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。此內存區域唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這裏分配內存。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，也稱做“GC堆”。從內存回收的角度來看，由於現在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從內存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

　　如果在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

5. 方法區

　　方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯的代碼等數據。

　　垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣”永久“的存在了。這個區域的內存回收目標主是針對常量池的回收和對類型的卸載。

　　當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

6. 運行時常量池

　　運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

　　一般來說，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。

　　運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性。運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern()方法。

　　當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

7. 直接內存

　　直接內存（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

　　在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（channel）與緩沖區（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復制數據。

摘自《深入理解Java虛擬機 JVM高級特性與最佳實踐》 周誌明著

Java運行時數據區域分析