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：程序计数器（Program Counter Register）、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）、本地方法栈（Native Method Stack）、Java堆（Java Heap）、方法区（Method Area）、运行时常量池（Runtime Constant Pool）和直接内存（Direct Memory）。
一、程序计数器（Program Counter Register）
程序计数器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的指示器。每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，即“线程私有”内存区域。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OutOfMemory情况的区域。
二、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
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VM Stack描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法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、方法出入口等信息。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）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。
Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：StackOverFlow异常和OutOfMemory异常。前者在线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时出现，如函数递归时导致的线程中方法嵌套层数太深，或者方法局部变量数量太庞大；后者一般在创建线程数量过多时出现，每个线程都需要独立的虚拟机栈。
三、本地方法栈（Native Method Stack）
本地方法栈与虚拟机栈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，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。甚至有的虚拟机，如HotSpot虚拟机，直接就把本地方法栈和虚拟机栈合而为了。与虚拟机栈一样，本地方法栈区也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
四、Java堆（Java Heap）
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。此内存区域用于存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。从内存回收的角度来看，由于现代收集器基本都采用分代算法，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 Allocation Buffer， TLAB）。不过无论如何划分，存储的都仍然是对象实例。
Java虚拟机规范表示，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。
五、方法区（Method Area）
方法区与Java堆一样，是线程间共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT即时编译器编译后的代码等数据。
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。
六、运行时常量池（Runtime Constant Pool）
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（Constant Pool Table），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。
一般来说，运行时常量池除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在其中。运行时常量池相对于Class文件常量池的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文件中常量池的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，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern()方法。
七、直接内存（Direct Memory）
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。
JDK1.4中新加入了NIO类，引入一种基于Channel与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。
参考文献：【1】《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第2版）》