Java源代碼文件(.java)會被Java編譯器編譯爲字節碼文件(.class)，然後由JVM中的類加載器加載各個類的字節碼文件，加載完畢之後，交由JVM執行引擎執行。JVM在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存劃分爲若干個不同的數據區域。JVM會用一段空間來存儲程序執行期間需要用到的數據和相關信息，這段空間一般被稱作爲Runtime Data Area（運行時數據區），也就是我們常說的JVM內存。
我們可以把上圖的“運行時數據區”分爲線程私有和共享數據區兩大類。其中線程私有的數據區包含程序計數器、虛擬機棧、本地方法區，所有線程共享的數據區包含Java堆、方法區，在方法區內有一個常量池。
線程私有
1.程序計數器：記錄正在執行的虛擬機字節碼的地址
由於Java 虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）只會執行一條線程中的指令。因此，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲。線程私有的。如果正在執行的是Natvie 方法，這個計數器值則空。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.虛擬機棧：描述的是Java 方法執行的內存模型
它的生命週期與線程相同。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）, 棧幀是用於支持虛擬機進行方法調用和方法執行的數據結構，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至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
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。
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局部變量表
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，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類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其餘的數據類型只佔用1個。局部變量表所需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。
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操作數棧
Java虛擬機的解釋執行引擎被稱爲"基於棧的執行引擎"，其中所指的棧就是指－操作數棧。和局部變量區一樣，操作數棧也是被組織成一個以字長爲單位的數組。但是和前者不同的是，它不是通過索引來訪問，而是通過標準的棧操作—壓棧和出棧—來訪問的。比如，如果某個指令把一個值壓入到操作數棧中，稍後另一個指令就可以彈出這個值來使用。
虛擬機把操作數棧作爲它的工作區——大多數指令都要從這裏彈出數據,執行運算,然後把結果壓回操作數棧
動態鏈接
Class文件中的常量持中存有大量的符號引用。字節碼中的方法調用指令就以常量池中指向方法的符號引用作爲參數。這些符號引用一部分在類的加載階段（解析）或第一次使用的時候就轉化爲了直接引用（指向數據所存地址的指針或句柄等），這種轉化稱爲靜態鏈接。而相反的，另一部分在運行期間轉化爲直接引用，就稱爲動態鏈接。
3.本地方法棧：爲虛擬機使用到的Native方法提供內存空間
在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
線程公有
1.堆：存放對象實例
堆是Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時創建。此內存區域的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。在Java虛擬機規範中的描述是：所有的對象實例以及數組都要在堆上分配，但是隨着JIT 編譯器的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那麼“絕對”了。堆是垃圾收集器管理的主要區域。
根據Java虛擬機規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。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。
2.方法區：用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據
Java虛擬機規範對方法區的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行爲在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就“永久”存在了。這區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說，這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是必要的。
運行時常量池：用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用
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，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。
運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特徵是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，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。
運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
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，也不是Java虛擬機規範中定義的內存區域。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JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（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對象作爲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，因爲避免了在Java堆和Native堆中來回複製數據。
直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內存，肯定還是會受到本機總內存（包括RAM以及SWAP區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。