1、運行時數據區域
1.1 程序計數器
程序計數器是一塊較小的內存空間，是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏，字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。
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）都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，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲。
如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則爲空（Undefined）。此內存區域是唯一一個沒有規定任何OOM情況的區域。
1.2 Java虛擬機棧
與程序計數器一樣，Java虛擬機棧也是線程私有的，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。
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。
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，如果擴展時無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。
1.3 本地方法棧
本地方法棧與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（字節碼）服務，而本地方法棧則爲虛擬機使用到的Native方法服務。有的虛擬機（HotSpot虛擬機）直接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。
1.4 堆
對於大多數應用來說，堆是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。堆是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。這一點在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。從內存回收的角度來看，由於現在收集器基本都採用分代收集算法，所以Java堆中還可以細分爲：新生代和老年代；再細緻一點的有 Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從內存分配的角度來看，線程共享的 Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區（TLAB）。不過無論如何劃分，都與存放內容無關，無論哪個區域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是爲了更好地回收內存，或者更快地分配內存。
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。
1.5 方法區
方法區與堆一樣，是線程共享的內存區域，它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如永久代的名字一樣“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。根據Java虛擬機規範的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出 OutOfMemoryError異常。
1.6 運行時常量池
運行時常量池是方法區的一部分。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（Constant Pool Table），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。
Java虛擬機對Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格規定，每一個字節用於存儲哪種數據都必須符合規範上的要求才會被虛擬機認可、裝載和執行，但對於運行時常量池，Java虛擬機規範沒有做任何細節的要求。不過，一般來說，除了保存Class文件中描述的符號引用外， 還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。
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。 既然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。
2、對象分配
2.1 對象的創建
虛擬機遇到一條new指令時，首先將去檢查這個指令的參數是否能在常量池中定位到一個類的符號引用，並且檢查這個符號引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執行相應的類加載過程。
在類加載檢查通過後，接下來虛擬機將爲新生對象分配內存。對象所需內存的大小在類加載完成後便可完全確定，爲對象分配空間的任務等同於把一塊確定大小的內存從Java堆中劃分出來。
如果堆內存規整，用過的內存放在一邊，空閒的內存放在另一邊，中間放着一個指針作爲分界點的指示器，那所分配內存就僅僅是把那個指針向空閒空間那邊挪動一段與對象大小相等的距離，這種分配方式稱爲“指針碰撞”。
如果堆內存並不規整，已使用的內存和空閒的內存相互交錯，虛擬機就必須維護一個列表，記錄上哪些內存塊是可用的，在分配的時候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實例， 並更新列表上的記錄，這種分配方式稱爲“空閒列表。在使用Serial、ParNew等帶整理過程的收集器時，系統採用的分配算法是指針碰撞，而使用CMS這種基於清除算法的收集器時，通常採用空閒列表。
除如何劃分可用空間之外，還有另外一個需要考慮的問題是對象創建在虛擬機中是非常頻繁的行爲，即使是僅僅修改一個指針所指向的位置，在並發情況下並不是線程安全的， 可能出現正在給對象A分配內存，指針還沒來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配內存的情況。解決這個問題有兩種方案，採用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；另一種是把內存分配的動作按照線程劃分在不同的空間之中進行，即每個線程在堆中預先分配一小塊內存，稱爲本地線程分配緩衝（TLAB）。哪個線程要分配內存，就在哪個線程的TLAB上分配，只有TLAB用完並分配新的TLAB時，才需要同步鎖定。 虛擬機是否使用TLAB，可以通過-XX：+/-UseTLAB參數來設定。
內存分配完成後，虛擬機需要將分配到的內存空間都初始化爲零值（不包括對象頭）， 如果使用TLAB，這一工作過程也可以提前至TLAB分配時進行。這一步操作保證了對象的實例字段在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數據類型所對應的零值。接下來，虛擬機要對對象進行必要的設置，例如這個對象是哪個類的實例、如何才能找到類的元數據信息、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對象的對象頭（Object Header）之中。根據虛擬機當前的運行狀態的不同，如是否啓用偏向鎖等，對象頭會有不同的設置方式。 在上面工作都完成之後，從虛擬機的視角來看，一個新的對象已經產生了，但從Java程 序的視角來看，對象創建纔剛剛開始——＜init＞方法還沒有執行，所有的字段都還爲零。 所以，一般來說（由字節碼中是否跟隨invokespecial指令所決定），執行new指令之後會接着執行＜init＞方法，把對象按照程序員的意願進行初始化，這樣一個真正可用的對象纔算完全產生出來。
2.2 對象的內存佈局
對象在內存中存儲的佈局可以分爲3塊區域：對象頭（Header）、 實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）。
對象頭包括兩部分信息，第一部分用於存儲對象自身的運行時數據， 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等，這部分數據的長度在32位和64位的虛擬機（未開啓壓縮指針）中分別爲32bit和 64bit，稱爲“Mark Word”。對象需要存儲的運行時數據很多，其實已經超出了32位、 64位Bitmap結構所能記錄的限度，但是對象頭信息是與對象自身定義的數據無關的額外存儲成本，考慮到虛擬機的空間效率，Mark Word被設計成一個非固定的數據結構以便在極小的空間內存儲儘量多的信息，它會根據對象的狀態複用自己的存儲空間。
對象頭的另外一部分是類型指針，即對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。並不是所有的虛擬機實現都必須在對象數據上保留類型指針，換句話說，查找對象的元數據信息並不一定要經過對象本身。 另外，如果對象是一個Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據，因爲虛擬機可以通過普通Java對象的元數據信息確定Java對象的大小，但是從數組的元數據中卻無法確定數組的大小。
接下來的實例數據部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段內容。無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的，都需要記錄起來。 第三部分對齊填充僅僅起着佔位符的作用。 對象的大小必須是8字節的整數倍，當對象實例數據部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。
2.3 對象的訪問定位
目前主流的訪問方式有使用句柄和直接指針兩種。
如果使用句柄訪問的話，那麼Java堆中將會劃分出一塊內存來作爲句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據與類型數據各自的具體地址信息。
如果使用直接指針訪問，那麼Java堆對象的佈局中就必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息，而reference中存儲的直接就是對象地址。
這兩種對象訪問方式各有優勢，使用句柄來訪問的最大好處就是reference中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（GC移動對象是非常普遍的）時只會改變句柄中的實例數據指針，而reference本身不需要修改。
使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節省了一次指針定位的時間開銷， 由於對象的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多後也是一項非常可觀的執行成本。