Java 与 C++ 之间有堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。
概述
对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不需要为每一个new操作去写匹配的 delete/free 代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存。不过一旦出现内存泄漏和内存溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。
运行时数据区域
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。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则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（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机锁管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域
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示器。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现)，字节码解释器工作时就是通过改变这个额计数器的值来选取下一条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。
由于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(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一个线程中的指令。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，各条线程互不影响，独立存储，称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行一个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 OutOfMemoryError情况的区域。
Java虚拟机栈
Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)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(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，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。
经常有人把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack)，这种分发比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。
局部变量表存放了编译器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，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（指向一了一条字节码指令的地址）
其中64位长度的logn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。
在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果现场请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（大部分可以扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），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(Native Method Stack)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，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。 在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
Java 堆
对于大多数应用来说,Java堆（Java Heap）是Java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。次内存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。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：
所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配标量替换、配置替换 优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有对象在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所有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，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都任然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快地分配内存。
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，就像我们磁盘一样。在实现时，即可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。如果在堆中内存内存完成实例分配，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）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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该与Java堆区分开来。
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（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
直接内存
直接内存(Direction 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。
在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（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DirectBuffer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。
显然，本机直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得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级的限制），从而导致动态扩展时出现Outofmemoryerror异常
HotSpot 虚拟机对象探秘
对象的创建
虚拟机遇到一条new指令时，首先将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被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完后便可完全确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。 假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分解点的指示器，那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，这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump the Pointer)。如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)
除如何划分可用空间之外，还有另一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时了原来的指针来分配内存当前情况。解决这个问题有两种方案。
一种是：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；
一种是：把内存分配的动作按照线程划分为不同的空间之中进行，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（Thread Local Allocation Buffer， TLABA）。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时，才需要同步锁定。虚拟机使用使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。
内存分配完后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段都是数据类型所对应的零值。
接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。
在上面工作都做完后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始 —>
对象的内存布局
在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对其填充（Padding）。
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分可用于存储对象自身的运行时数据，如 哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit，官方称为“Mark Word”。
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。另外如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象大大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
HotSpot虚拟机默认的分配策略为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配在一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。
第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用，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，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍数或者2倍)，因此，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
建立对象是为使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位，访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决与虚拟机实现而定的。
目前主流的访问方式有 “使用句柄” 和 “直接指针两种”
使用句柄
Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄持，reference中存储的就是对象的句柄地址，而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
直接指针
Java堆对象的布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址
优势
使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改
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时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常客观的执行成本。
虚拟机Sun HotSpot使用的是 直接指针 进行对象访问