JVM在执行Java程序时会将它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。有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将包括以下几个运行时数据区域，其中方法区和堆由所有线程共享；虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器是线程似有的。
堆
堆（heap）和方法区(Method Area)被JVM内的所有线程共享，堆中存放的是类的对象和数组。对大多数应用来说，Java堆是JVM管理的内存中最大的一块。堆在JVM启动时创建，几乎所有的对象实例和数组都从堆中分配内存。这里的堆并不是数据结构意义上的堆（heap，有序树），而是动态内存分配意义上的堆——用于管理动态生命周期的内存区域。
堆是垃圾回收器管理的主要区域，因此很多时候也被成为“GC堆”。由于垃圾回收器基本都采用分代收集算法，堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点还可以分为Eden区、From Survivor区、To Survivor区等。无论怎么划分，堆中存放的都是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存、更快地分配内存。
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中，只要逻辑上连续即可。当前主流虚拟机都是可扩展的，通过-Xmx和-Xms控制堆的大小。如果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(Method Area)用于储存被虚拟机加载的类信息，常量，即时编译后的代码等，类似于其它语言中存放编译后代码的区域以及操作系统中线程的text字段。对于HotSpot来说，方法区也可以当做“永久代（Permanent Generation）”，因为分代收集也扩展到了该区域，垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理方法区内存。JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移除。
垃圾收集行为在方法区是比较少见的，但并不是说方法区的数据会永久存在。该区域内存回收的主要目的是针对常量池的回收和对类型的卸载，不过方法区内存回收的条件是非常苛刻的。
当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
JDK1.2～JDK1.6的实现中，Hotspot使用永久代实现方法区。
从JDK7开始移除永久代，JDK7中符号表被移动到Native Heap中，字符串常量和类引用被移动到Java Heap中。
JDK8中，方法区移到元空间（Metaspace），字符串常量移到Java Heap。元空间在本地堆内存（native heap）中，默认类的元数据分配只受本地内存大小限制。
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。并不是只有在编译期置入Class文件的常量才能进入方法区的运行时常量池，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用得比较多的是String类的intern()方法。
该区域定义的异常与方法区一致。
堆和方法区都是在JVM启动时就创建
虚拟机栈
虚拟机栈（Virtual Machine Stacks）是每个线程私有的，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（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。每个方法从调用直至执行完成的过程对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
虚拟机栈的局部变量表中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，它不等同于对象本身，而可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向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局部变量空间（Slot），其余的数据类型只会占用1个。局部变量表所需的内存空间大小在编译期间完成分配，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是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表大小。
Java虚拟机规范在虚拟机栈中规定了两种异常：
- StackOverflowError，线程请求深度大于虚拟机所允许的最大深度
- OutOfMemoryError，大部分虚拟机栈都可以动态扩展的，如果虚拟机栈扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出该异常
程序计数器（PC）
程序计数器实际上是一块较小的内存空间，每个线程都拥有一个程序计数器，各线程的程序计数器相互独立，如果线程执行的是Java方法，程序计数器指向正在执行的字节码指令地址，如果当前执行的是Native方法，程序计数器的值是未定义（Undifined）的。程序计数器是Java虚拟机规范中唯一没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
执行程序时，字节码指示器就是通过改变程序计数器的值来选取下一个需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。所以，为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程之间的计数器独立存储，互不影响。
本地方法栈
如果虚拟机支持本地方法，线程启动时会创建一个本地方法栈，本地方法栈支持Java语言之外的语言运行。
本地方法栈与虚拟机栈发挥的作用非常相似，它们之间的区别不过是虚拟机栈执行字节码，而本地方法栈执行虚拟机中用到的Native方法。有的虚拟机（例如HotSpot）直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
与虚拟机栈一样，本地方法栈也定义了StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。
Hotspot使用“mixed stack”——在同一个调用栈里存放Java方法栈帧和native方法的栈帧，每个Java线程其实只有一个调用栈，融合了JVM规范中的JVM栈和native方法栈这两个概念。