运行时数据区域
运行时数据区域包括：
- 方法区（method area）（线程共享的数据区）
- 虚拟机栈（VM stack）
- 本地方法栈（native method stack）
- 堆（heap）（线程共享的数据区）
- 程序计数器（program counter register）
程序计数器
程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作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。
由于 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。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，称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 native 方法，这个计数器值则应为空。此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
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栈中从入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知各种 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，它并不等同于对象本身，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（指向了一条字节码指令的地址）。
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。这个“大小”指的是变量槽的数量。
在《Java 虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常情况：
- 如果线程请求的栈深度大于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，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。（HotSpot 虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的。所以在 HotSpot 虚拟机上是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致 OutOfMemoryError 异常—-只要线程申请栈空间成功了就不会有OOM，但是如果申请时就失败了，仍然是会出现OOM异常的）
本地方法栈
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 方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的 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。有的虚拟机（如 HotSpot）直接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。
Java 堆
Java 堆是被所有线程共享堆一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域堆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。
Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域。
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。
Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是扩展的，当前主流的 Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的。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。
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、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
《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。
这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。
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。
运行时常量池
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，还有一项信息是常量池表，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。
当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
直接内存
直接内存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。
在 JDK 1.4 中新加入了 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 堆里面的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能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，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。
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，从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。
HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问
对象的创建
当 Java 虚拟机遇到一条字节码 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。
假设 Java 堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”。
但如果 Java 堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块时可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”。
选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力决定。因此，当使用Serial、ParNew 等带有压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞；而当使用 CMS 这种基于清除算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。
除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程完全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。
解决这个问题有两种可选方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存吗，称为本地线程分配缓冲（TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定。
内存分配完成后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
接下来，Java 虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的
一般来说（由字节码流中的new指令后面是否跟随invokeespecial指令所决定，Java 编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），new指令之后会接着执行
对象的内存布局
在hotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。
HosSpot 虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”。
对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、63位Bitmap结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。
此外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定确定Java对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。
接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。
这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。HosSpot虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops，从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。
对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HosSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。
对象的访问定位
Java 程序会通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。由于 reference 类型在《Java 虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：
- 如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。
- 如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型信息的相关信息，reference 中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，就HotSpot而言，它只要使用第二种方式进行对象访问。
