Java虚拟机的运行时数据区由程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区、运行时常量池以及直接内存构成。构成图如下：
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行号指示器。由于Java虚拟机的多线程是通过线程切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的实可，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们成这类内存区域为“线程私有内存”。
程序计数器是在java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何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方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧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，就对应这一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。
虚拟机栈中的局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（double，boolean，byte，char，short，int、long，float）、对象引用以及returnAddress类型。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，其余数据类型只占用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时完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：
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如果线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常；
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如果虚拟机可以动态扩展，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
本地方法栈与虚拟机栈的作用非常相似，虚拟机栈为执行java方法服务，本地方法栈为虚拟机中使用到的Native方法服务。在有的虚拟机中，比如Sun HotSpot虚拟机，直接把本地方法栈与虚拟机栈合二为一。
本地方法栈区域会抛出*Error和OutOfMemoryError异常。
Java堆
Java堆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。此内存区域唯一的目的就是存放实例对象。
Java虚拟机规范中的描述：所有的对象实例以及数组都在堆上分配。但是，随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术使得所有的对象都在堆上分配也不那么“绝对”了。
Java堆是垃圾回收管理的主要区域，因此也有“GC堆”的叫法。
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。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。
方法区不需要连续的内存，可以选择固定大小或者可扩展，还可以选择不实现垃圾收集。方法区的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和对类型的卸载。
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，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。当常量池无法再申请到内存时将抛出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。
在NIO类中，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区的I/O方式，可以使用Native方法直接分配堆外内存，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。这样能在某些场景中显著提高性能，原因时避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。但是，当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系统级的限制），也会导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。