运行时数据区域

Java虚拟机（JVM）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。而在JDK1.8前后数据区域的划分略有不同，下面会介绍到。
JDK1.8之前：
JDK1.8：
因此根据上面的运行时数据区划分图可以看出：

线程私有的：

程序计数器

虚拟机栈

本地方法栈

线程共享的：

堆

方法区

直接内存（非运行时数据区的一部分）

下面就按照上面的顺序逐个进行了解。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间。在虚拟机的概念模型里面，字节码解释器工作时需要知道该执行哪一条字节码指令，而程序计数器的作用就是，通过改变程序计数器的值，来让字节码解释器知道，下一条需要执行的指令是什么。

其次，Java虚拟机的多线程执行，是通过线程之间轮流执行，而对于一个处理器（如果是多核处理器，那么就是一个内核），在任意一个确定的时刻，只会执行一条线程中的指令。因此，为了避免一个线程过长时间（可能因为计算时间过长或者陷入死循环等原因）占用处理器，导致系统崩溃，所以处理器会给每个线程分配执行的时间，如果当分配的时间结束时，该线程的任务还没有执行完，处理器会被剥夺并分配给另一个线程，直到到达下一次该线程的时间片，处理器才会切换回来，继续执行该线程。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，所以每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各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。

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：

字节码解释器通过改变程序计数器，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理等。

在多线程情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程切换回来的时候，能够知道该线程上次执行到哪里，接下来该执行什么指令。

注意：

如果线程正在执行的是一个Java方法，那么这个程序计数器是正在执行的方法的虚拟机字节码指令的地址。

如果线程正在执行的是一个Native方法，那么这个程序计数器则为空（Undefined）。因此程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈描述的是Java方法的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。而栈中储存的是一个个的栈帧，栈帧就是每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧用于储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。因为线程每调用一个方法从开始到结束，都意味着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

Java内存可以粗糙的分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），其中的栈就是Java虚拟机栈，或者说是Java虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译器可知的各种（八种）基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、double、long）、对象引用（不同于对象本身，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）和returnAdress类型（指向一条字节码指令地址）。
其中64位的长度的double和long类型的数据都会占用两个局部变量空间，其余数据只会占用一个局部变量空间。局部变量表所需内存空间在编译期间完成分配，因此当进入一个方法时，这个局部变量表的大小就已经完全确定了，运行期间不会改变其大小。

Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError

StackOverFlowError:若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，那么就会抛出StackOverFlowError异常。

OutOfMemoryError：若Java虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，那么如果线程在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

Java方法的返回方式有两种：return语句和抛出异常，不管哪种方法，都会导致栈帧出栈。

本地方法栈

本地方法栈的作用与Java虚拟机栈的结构和作用几乎完全一样，可以认为二者唯一的区别就是：Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务；而本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。甚至在HotSpot虚拟机栈中将两者合二为一。

总结得到一点：程序计数器、Java虚拟机栈和本地方法栈都是线程所私有的，故而他们的生命周期和线程相同，它们的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

Java堆

Java堆（Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存的唯一目的就是：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配，在Java虚拟机规范中的描述是：所有对象的实例以及数组都要在堆上分配。，但是随着JIT编译器的发展，这种情况也不是那么绝对的了。

java堆也是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为 GC堆，从垃圾回收的角度看，Java堆中还可细分为：新生代和老生代；再度细分可分：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等为；大部分情况下，对象都会首先在Eden区域分配，再一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入s0或是s1在，并且对象年龄还加一，当他的年龄增加到一定程度（默认为15岁）时，就会被划分到老年代中。

不论如何划分，都与存放的内容无关；不论哪个区域，存储的都是对象的实例。进一步划分的目的是为了更好的回收内存，更快的分配内存。

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。

Java堆的内存大小可以是固定大小的，也可以是可扩展的（大部分都是）。如果在堆中没有内存来完成实例的分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区同样是各个线程共享的内存区域，它用于储存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。方法区有一个别名叫“非堆（Non-Heap）”，目的就是为了将其与Java堆区分开来。

仅在HotSpot虚拟机中，方法区也被称为“永久代”，仅仅是因为在HotSpot虚拟机中把GC分代收集扩展至方法区，这样可以省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是问题也因此而来，因为永久代有大小上限，所以当触碰到内存大小的上限时，会抛出OutOfMemoryError异常。

所以在JDK1.8之后，永久代被彻底删除了，取而代之的是元空间（MetaSpace），与永久代有JVM本身内存大小上限的限制不同的是，元空间使用的是直接内存，受到的是本机可用内存的上限限制，只有当触碰到本地内存的极限时，才会抛出OutofMemoryError异常（概率极小）。

与java堆一样，方法区同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该区域比较少见，因为该区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

运行时常量池

JDK1.7之前，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，还有常量池信息，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
运行时常量池相对于Class文件常量池还有一个重要特征是具备动态性，将运行期间可能得到的新的常量放入池中。
因此既然运行时常量池是方法区的一部分，所以当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

但是在JDK1.7及其之后版本的JVM中，将运行时常量池从方法区中移了出来，在Java堆中开辟了一块内存存放运行时常量池，这样也更加方便于垃圾回收的工作。

直接内存

直接内存既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，但是这一部分内存被频繁的使用，而且也可能导致OutofMemoryError异常。

在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）于缓存区（Buffer）的I/O方式，它使用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。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆之间来回复制数据。

虽然本机直接内存并不会收到Java堆的内存大小限制，但是显然会受到本地总内存的大小限制，因此也可能会在动态扩展时抛出OutOfMemoryError异常。