JVM 运行时数据区域
自动内存管理机制（一）
对比 C/C++：java和 C++ 之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的 “ 高墙 ” ，墙外的人想进去，而墙里的人想出来。
运行时数据区域
java虚拟机在执行java程序时，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，以及创建和销毁时间。（有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁）
《java虚拟机规范（java SE 7版）》规定java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域（如图2-1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，它可以看做是当前线程所执行的字节码文件的行号指示器。
注：在java虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方法去实现）。
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，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。
程序计数器的作用
由于java虚拟机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。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，所以每条线程都需要有一个==独立==的程序计数器。各条线程之间互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
计数器记录的数值
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，这个计数器值则为空（Undefined）。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。
注解：
Native方法（本地方法）：被Native修饰的方法叫做本地方法，本地方法和其他方法不一样，本地方法意味着和平台有关。本地方法主要用于加载文件和动态链接库，由于java语言无法直接访问操作系统底层信息（比如：底层硬件设备等），此时则需要C语言来完成。
执行Native方法，计数器值为空原因：Native方法并不是java字节码构成，所以无法应用上述的“java虚拟机字节码指令的地址”的概念。所以JVM规范规定，如果当前执行的方法是Native的，那么计数器的值为空（Undefined）。java线程都是直接映射到一个OS线程上执行，此时，Native方法就由原生平台直接执行，所以不会用到JVM层面的计数器，而是使用原生的cpu上自己的“计数器”（可能不叫计数器）来完成控制执行。
java虚拟机栈
java虚拟机栈（java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，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都会创建一个栈帧（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。
每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，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）。
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），其余的数据类型只占用1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。
虚拟机栈存在的异常
在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时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）与虚拟机栈所发挥的作用非常相似。
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*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*Error和OutOfMemoryError异常。
java堆
java堆（java Heap）是 java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。
java堆作用
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。但是随着JIT编译器（Just-In-Time Compiler 即时编译器）的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，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主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage
Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。
java堆内结构划分
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。从内存分配的角度来看，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 AllocationBuffer,TLAB）。不过无论如何划分，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，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
java堆存在的异常
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，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，不过当前主流的虚拟机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
用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
永久代
对于HotSpot虚拟机上的开发，在JDK 1.8之前，设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说是使用永久代来实现方法区。
注解：永久代即上文中（java堆内结构划分中）提到的与新生代和老年代类似的一块区域，是设计团队为了实现方法区而扩展出来的一块区域，为的就是便于复用java堆中的GC垃圾收集器，而省去专门为方法区编写内存管理的代码。
但在JDK 1.8中官方已经完全使用元空间（Metaspace 本地内存中）替换了永久代（PermGen），将永久代从JVM中完全去除。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。
用元空间替换永久代的原因
永久代（PermGen）存在于虚拟机中，使用永久代容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限）而抛出”java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space “这个异常。而元空间（Metaspace ）存在于本地内存中，仅受本地内存限制。而且GC会适当的动态调整元空间的大小，-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：
如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。
除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性：
-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集。
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集。
永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
存在的异常
Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，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，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。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载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在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虚拟机对此区域未完全回收而致内存泄漏。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
运行时常量池
运行时常量池（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（Constant Pool Table）。
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。
动态性
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编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特被开发人员利用得比较多的便是String类的intern（）方法。
存在的异常
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。
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的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以在此处讲解。
应用场景
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堆中的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。
存在的异常
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，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及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。