一、运行时数据区域

根据 《Java 虚拟机规范》的规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下截个运行时数据区域，如图所示。

1、程序计数器

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 Java 虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过该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，它是程序控制流的指示器，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。

Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、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（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。

1. 线程执行 Java 方法时，计数器值记录的是当前线程正在执行的虚拟机字节码指令的地址
2. 线程执行 Native 方法时，计数器值为空

这个内存区域是唯一一个在《Java 虚拟机规范》中没有规定任任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2、Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机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 Java 虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象的引用（reference 类型，它并不同于对象本身，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者其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码执行的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。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，这个方法需要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。这里的大小是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间（1 slot = 32 bit / 64 bit）来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的。

在《Java 虚拟机规范中》对这个内存区域规定了两类异常状况：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 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈无法扩展时无法申请到足够的内存抛出 OutOfMemoryError 异常。

HotSpot 虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，所以该虚拟机是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致 OutOfMemoryError 异常。换句话说，只要线程申请栈空间成功了就不会有 OOM，但是在申请时就失败，仍然会出现 OOM 异常的

3、本地方法栈

与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

《Java 虚拟机规范》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任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的 Java 虚拟机（譬如 HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二 为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4、Java 堆

对于 Java 应用程序来说，Java 堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆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，Java 世界里几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java 虚拟机规范》中对 Java 堆的描述是：所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配，而这里的几乎是指从实现角度来看，随着 Java 语言的发展，由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说 Java 对象实例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内存区域，有时也称为 GC 堆（Garbage Collected Heap）。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以 Java 堆中经常会出现新生代、老年代、永久代、Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等名词。这些区域划分仅仅是一部分垃圾收集器的共同特性或者说设计风格而已，而非某个 Java 虚拟机具体实现的固有内存布局，更不是《Java 虚拟机规范》里对 Java 堆的进一步细致划分。

G1 收集器出现之前，作为业界绝对主流的 HotSpot 虚拟机，它内部的垃圾收集器全部基于经典分代来设计的，需要新生代、老年代收集器搭配才能工作。今天的 HotSpot 里出现了不采用分代设计的新垃圾收集器。

经典分代指：新生代、老年代这种划分，其中新生代又包含一个 Eden 和两个 Survivor 区

后面的 TLAB 占用 Eden 区，默认 1%

从分配内存的角度来看，所有线程共享的 Java 堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论怎么划分，都不会改变 Java 堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将 Java 堆细分的目的只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》的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（如数组对象），多数虚拟机是出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的存储空间。

Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的 Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数 -Xmx 和 -Xms 设定）。如果在 Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

5、方法区

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型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码缓存等数据。虽然《Java 虚拟机规范》中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作非堆（Non-Heap），目的是与 Java 堆区分开来。

JDK8 以前通常把方法区成为永久代（Permanent Generation），本质上方法区和永久代并不是等价的，因为仅仅是当时的 HotSpot 虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区，这样使得 HotSpot 的垃圾收集器能够像管理 Java 堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如 BEA、JRockit、IBM J9 等来说，是不存在永久代的概念的。这种设计导致了 Java 应用更容易遇到内存溢出的问题，而且极少数方法（例如 String::intern）会因永久代的原因而导致不同虚拟机有不同的表现。

永久代有 -XX:MaxPermSize 的上限，即使不设置也有默认大小，而 J9 和 JRockit 只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如 32 位系统中的 4GB 限制，就不会出问题。

在 JDK6 的时候 HotSpot 开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划；JDK7 的已经把原本放在永久代的字符串常量池和静态变量被移动到了堆中；JDK8，完全放弃了永久代的概念，改用与 J9 和 JRockit 一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替，把 JDK7 中永久代还剩余的内容（运行时常量池、类型信息、常量等）全部移到元空间中。

《Java 虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，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，甚至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的确是较少出现的，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，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。根据《Java 虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

6、运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant 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，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

字面量，相当于 Java 语言层面常量的概念：

1. 文本字符串
2. final 修饰的成员变量的值
3. 基本数据类型的值
4. 其他

符号引用，属于编译原理方面的概念：

1. 类和接口的完全限定名
2. 字段名称和描述符
3. 方法名称和描述符

Java 虚拟机对于 Class 文件每一部分的格式都有严格规定，如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行；但对于运行时常量池，《Java 虚拟机规范》并没有做任何细节的要求，不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个区域，不过一般来说，除了保存 Class 文件中描述的符号引用外，还会把符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另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编译期才能产生，也就是说，并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern 方法。

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

7、直接内存

直接内存（Direct Memory）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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常。

JDK1.4 中引入了 NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方法，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 堆里的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样可以在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

本机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（包括物理内存、SWAP 分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置 -Xmx 等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。