对于Java来说，在JVM自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去手动管理内存空间，不容易出现内存泄露和内存溢出的问题，由JVM管理内存这一切看上去很美好，不过也正是因为Java把内存控制的权利交给了JVM，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解JVM是如何使用内存的，那么排查错误将会成为一个异常艰难的工作。所以了解JVM内存区域是非常有用且必要的。
JVM在执行Java程序的过程中会把它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，各自的生命周期，有的区域岁JVM进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。根据《Java虚拟机规范(Java SE 7版)》的规定，JVM所管理的内存将会包括以下几个运行时区域，如下图所示。
程序计数器
程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。由于JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的。在任何一个时刻，一个处理器（对多核来说是一个内核）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，每条线程都需要一个独立的PC，各条线程之间的PC互不影响，独立存储，这种类型的内存区域也成为线程私有的内存，线程间不可见。
另外，如果线程正在执行的是一个Java方法，这个PC记录的是正在执行的JVM字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，那么这个PC则置空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
虚拟机栈
与PC一样，JVM栈（Java Virtual Machine Stacks）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方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时会创建一个帧栈(Stack Frame)，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，对应着一个帧栈在虚拟机栈中进栈到出栈的过程。
网上有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种划分方式比较简单，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大部分程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区是这2块。其中所指的“堆”会在后面解释，而所指的“栈”就是现在所说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量的部分。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（byte、short、int、long、float、double、boolean、char）、对象引用（Reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个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returnAddress类型（指向一条指令码指令的地址）。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot）（在多线程环境中，long和double是比较特殊的，很多操作或许会跟其他基本类型不一样，可能会引起额外的问题，这里先提及一下），其余的数据类型只占用1个Slot。局部变量表所需的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。
在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了2中异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将会抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前的大部分的Java虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中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强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun 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，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
Java堆
对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机过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JVM启动时创建。
此内存区域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内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存(The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated)。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在对上也逐渐变得不是那么“绝对”了。
Java堆是GC管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步的划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
根据JLS的规定，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，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的。不过当前主流的JVM都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区
方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被JVM加载的类信息、常量、静态变量、及时编译器编译后的代码等数据。虽然JVM规范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做Non-Head（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。
对于习惯在HotSpot JVM上开发、部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区成为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot JVM的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他JVM如BEA JRockit、IBM J9等，是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限，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4G，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如String.intern()）会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并逐步改为Native Memory来实现方法区的规划了，在目前已经发布的JDK1.7的Hot Spot中，已经把原本放在永久代中的字符串常量池异常。而在目前最新的JDK1.8的Hot Spot，已经移除了永久代了。
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，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，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、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有任何细节的要求，不同的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文件中的描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储到运行时常量池中。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外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在编译器才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多得便是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便会抛出OutOfMemoryError异常。
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异常出现，所以说明下。
在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用来进行操作。这样能在一些场合显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
显然，本机直接分配内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是受到本机总内存（包括RAM和SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，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。
参考文档
- 《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》第二版 周志明著