Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中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，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚拟机进程的启动一致存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java 虚拟机规范》的规定，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的字节码的行号指令器。在 Java 虚拟机的概念模型中，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、线程恢复等基础功都需要依赖这个计数器来完成。
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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器的值则应为空（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。
Java 虚拟机栈
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（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。每个方法从被调用直到执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，但扩展时无法申请到足够的内存会抛出 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是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。
有的虚拟机（譬如 HotSpot 虚拟机）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扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemorError 异常。
Java 堆
对于 Java 应用程序来说，Java 堆（Java Heap）是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。
由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日益强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，以及日后可能出现值类型的支持，所以说 Java 对象实例都分配在对上也渐渐变得不是那么绝对了。
Java 堆既可以被是现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的 Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数 -Xmx 和 -Xms 设定）。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（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。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述成堆的一个逻辑部分，但是它有一个别名叫做“非堆”（Non-Heap），目的是与 Java 堆区分开来。
在 JDK8 之前，Java 虚拟机使用永久代来实现方法区，到了 JDK 8，已经完全废弃了永久代的概念，改用在本地内存中实现的元空间（Meta space）来代替。
《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，甚至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的确是比较少见的，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卸载，一般来说这个取悦的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是有必要的。
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（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表（Constant Pool Table），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。
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。
需要特别注意的是，运行时常量池和字符串常量池的区别，在 JDK7 之前，运行时常量池逻辑包含字符串常量池存放在方法区，此时 HotSpot 虚拟机对方法区的实现为永久代。在 JDK7 字符串常量池被从方法区拿到了堆中，运行时常量池剩下的东西还在方法区, 也就是 HotSpot 中的永久代。JDK8 HotSpot 移除了永久代引入元空间, 这时候字符串常量池还在堆中, 运行时常量池还在方法区, 只不过方法区的实现从永久代变成了元空间。
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。
显然，本机直接内存地分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机内存（包括物理内存、SWAP 分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置 -Xmx 等参数信息，但经常忽略掉直接内存，是的各个内存区域综合大于物理内存限制（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。
