运行时数据区
首先我们介绍运行时数据区的内存结构，主要分为方法区、Java堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。其中方法区和Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的内存区。如下图所示：
- 程序计数器
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行号指示器。因为java虚拟机多线程是通过轮流切换并分配处理器执行时间的方式实现，所以每条线程都需要有一个独立的程序计数器。 - java虚拟机栈
它也是线程私有的，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。如果请求的站深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常，虚拟机栈在动态扩展时如果无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
- 本地方法栈
与虚拟机栈类似，不过虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。 - java堆
- Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，被进程的所有线程共享，在虚拟机启动时被创建。该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，随着JIT编译器的发展与逃逸分支技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换等优化技术使得对象在堆上的分配内存变得不是那么“绝对”。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以分为老年代和新生代(Eden、From Survivor、To Survivor)。根据Java虚拟机规范，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可。该区域的大小可以通过-Xmx和-Xms参数来扩展，如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。
- 方法区
用于存储被Java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。不同于Java堆的是，Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，可以选择不实现垃圾收集。但并非数据进入了方法区就“永久”存在了，这区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果该区域内存不足也会抛出OutOfMemoryError异常。 - 运行时常量池
- 为方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项就是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。一般来说，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运行时常量池中。另外，运行时常量池具备动态性，例如String类的intern()方法。
- 直接内存
直接内存并不是虚拟机运行时数据域的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域，但这部分内存也被频繁的使用。在jdk1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道和缓存区的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。这样能在一些场合显著提升性能，因为避免了Java堆和Native堆中来回复制数据。
HotSpot虚拟机对象揭秘
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对象的创建
首先遇到一条new指令时会去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。检查通过后虚拟机将为新生对象分配内存。
常用的分配算法有两种，一种是“指针碰撞”，即假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有用过的内存放一边，空闲的内存放一边，中间放一个指针作为分界点的指示器，所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离；另一种分配方式是“空闲列表”，指的是虚拟机维护一个列表去记录哪些内存块是可用的，在分配时从列表中找到一个足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。
解决对象创建在并发情况下非线程安全的方法：（1）对分配内存空间的动作进行同步处理—实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存的分配动作按照线程划分在不同的空间中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB才需要同步锁定。 -
对象的内存布局
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在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。
对象头包括两部分信息，第一部分用于存储自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁等，它被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间存储尽量多的信息，会根据对象的状态复用自己的存储空间；另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，
实例数据是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
对齐填充并不是必然存在的，仅仅起占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。 -
对象的访问定位
对象访问方式是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的有使用句柄和直接指针两种。
使用句柄访问时，Java堆中会划分出一块内存作为句柄池，栈上的reference数据存储的就是对象的句柄地址，句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息；
使用直接指针访问，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的就是对象地址：
这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的的时间开销。