Java 虚拟机在执行 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。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。
程序计数器
“概念模型”这个词会经常被提及，它代表了所有虚拟机的统一外观，但各款具体的 Java 虚拟机并不一定要完全照着概念模型的定义来进行设计，具体的 Java 虚拟机可能会通过一些更高效率的等价方式去实现它。
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址； 如果线程正在执行的是本地（Native） 方法，程序计数器值则应为空（Undefined）。
Java 虚拟机栈
Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）与程序计数器一样，也是线程私有的内存区域，Java 虚拟机栈的生命周期与线程相同。
每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的（尽管在运行期会由即时编译器进行一些优化，但在基于概念模型的讨论里，大体上可以认为是编译期可知的）
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） 、对象引用（reference 类型，对象引用并不等同于对象本身，对象引用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（指向了一条字节码指令的地址）。
请读者注意，这里说的 “大小” 指的是变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照 1 个变量槽占用 32 个比特、 64 个比特，或者更多）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事情。
- 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（栈深度溢出异常）；
- 如果 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。
通过参数 -Xss 来设定单个线程栈的大小，栈的大小直接决定了函数调用的最大深度。
本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，它们两个的区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码） 服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。
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。
Java 堆
Java 堆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 Java 堆分配内存。
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，这点就像我们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（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。
固定大小的 Java 堆指的是：只在虚拟机启动时，向操作系统申请固定大小的堆内存空间。
方法区
方法区（Method Area）与 Java 堆一样，也是被所有线程共享的内存区域。
虽然《Java 虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是方法区它却有一个别名叫作 “非堆”（Non-Heap），目的是与 Java 堆区分开来。
《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，垃圾收集行为在方法区这个区域的确是比较少出现的，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。方法区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，一般来说方法区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，但是方法区这个区域的回收有时又确实是必要的。 以前 Sun 公司的 Bug 列表中，曾出现过的若干个严重的 Bug 就是由于低版本的 HotSpot 虚拟机对方法区这个区域未完全回收而导致内存泄漏。
永久代
本质上这两者（方法区、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垃圾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而已，这样使得 HotSpot 的垃圾收集器能够像管理 Java 堆一样管理方法区这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他的虚拟机实现，譬如 BEA JRockit、IBM J9 等来说，是不存在永久代这个概念的。
当 Oracle 收购 BEA 获得了JRockit 的所有权后，准备把 JRockit 中的优秀功能，譬如 Java Mission Control 管理工具，移植到 HotSpot 虚拟机时，但因为两者对方法区实现的差异而面临诸多困难。
运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。
Java 虚拟机对于 Class 文件每一部分（自然也包括常量池）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内存区域，不过一般来说，除了保存 Class 文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
直接内存
直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区域的一部分，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 异常出现，所以我们放到这里一起讲解。
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，则肯定还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。
总结
运行时数据区域
程序计数器
如果一个线程正在执行的是一个 Java 方法，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。
Java 虚拟机栈、本地方法栈
- Java 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。每个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
- 本地方法栈（Native Method Stacks） 与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，它们两个的区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码） 服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。
【Java 堆】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【Java 堆】区域分配内存。
【方法区】内存区域用于存储已被虚拟机加载的类型信息（如类名、访问修饰符、字段描述、方法描述等）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
“线程私有” 的区域
- “线程私有” 的内存区域有：程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈；
- 被所有线程共享的内存区域有：Java 堆、方法区。
垃圾收集的区域
程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈这三个运行时数据区域随线程而生，随线程而灭，栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着入栈和出栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的（尽管在运行期会由即时编译器进行一些优化，但在基于概念模型的讨论里，大体上可以认为是编译期可知的），因此这三个运行时数据区域的内存分配和回收都具备确定性，在这三个运行时数据区域内就不需要过多考虑如何回收的问题，当方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。
内存区域的异常状况
【程序计数器】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】、【本地方法栈】内存区域：在【Java 虚拟机栈】、【本地方法栈】内存区域中，可能出现的异常状况有：OutOfMemoryError、StackOverflowError：
- 创建线程时，需要申请栈空间。如果线程申请栈空间失败了，那么 Java 虚拟机就会抛出 OutOfMemoryError 异常。
- 线程申请栈空间成功后，如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，那么 Java 虚拟机就会抛出 StackOverflowError 异常。
【Java 堆】内存区域：如果 Java 堆无法满足新的内存分配需求，并且堆也无法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
【方法区】内存区域：如果方法区无法满足新的内存分配需求时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
【直接内存】：如果各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
参考资料
《深入理解 Java 虚拟机》第 2 章：Java 内存区域与内存溢出异常 2.2 运行时数据区域