一、运行时数据区域详解
Java 虚拟机在运行 Java 程序时，会将所管理的内存划分为多个不同的数据区域，各区域有着独特的用途、创建和销毁时间。
- 程序计数器：作为线程私有的较小内存空间，它是当前线程执行字节码的行号指示器。字节码解释器通过改变其值选取下一条指令，以实现分支、循环等基础功能。每个线程拥有独立的程序计数器，互不干扰。当线程执行 Java 方法时，计数器记录字节码指令地址；执行本地方法时，计数器值为空。该区域是唯一不会出现 OutOfMemoryError 情况的区域 。
- Java 虚拟机栈：同样是线程私有，生命周期与线程相同。它描述了 Java 方法执行的线程内存模型，每个方法执行时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈等信息。方法的调用到执行完毕，对应着栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈过程。局部变量表存放基本数据类型、对象引用和 returnAddress 类型数据，其所需内存空间在编译期完成分配。当线程请求栈深度超过虚拟机允许深度时，会抛出 StackOverflowError 异常；若栈容量可动态扩展且扩展时无法申请到足够内存，则抛出 OutOfMemoryError 异常（HotSpot 虚拟机栈容量不可动态扩展）。
- 本地方法栈：为虚拟机使用的本地方法服务，功能与虚拟机栈相似。《Java 虚拟机规范》对其实现没有强制规定，部分虚拟机（如 HotSpot）会将它与虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈在栈深度溢出或扩展失败时，会分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。
- Java 堆：是虚拟机管理内存中最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动时创建，主要用于存放对象实例。虽然理论上所有对象实例及数组都应在堆上分配，但随着技术发展，栈上分配等优化手段使其并非绝对。Java 堆是垃圾收集器管理的区域，部分资料称其为 "GC 堆" 。从回收内存角度，基于分代收集理论，会有 "新生代""老年代" 等概念，但这只是部分垃圾收集器的特性，并非虚拟机固有内存布局。从分配内存角度，可划分出线程私有的分配缓冲区（TLAB）以提升对象分配效率。Java 堆可固定大小或可扩展（通过 - Xmx 和 - Xms 设定），当无法完成实例分配且堆不能扩展时，会抛出 OutOfMemoryError 异常 。
- 方法区：是各个线程共享的内存区域，用于存储已加载的类型信息、常量、静态变量等数据，被视为堆的逻辑部分，也称为 "非堆"。在 JDK 8 以前，HotSpot 虚拟机使用永久代实现方法区，导致一些问题，如内存溢出风险较高等。JDK 8 后，改用元空间代替永久代，将类型信息等移到元空间。方法区内存回收主要针对常量池和类型卸载，回收效果通常不太理想，但有时是必要的。当方法区无法满足内存分配需求时，会抛出 OutOfMemoryError 异常。
- 运行时常量池：作为方法区的一部分，存放编译期生成的字面量与符号引用，类加载后存于其中。运行时常量池具有动态性，运行期间可添加新常量，如 String 类的 intern () 方法就利用了这一特性。它受方法区内存限制，内存不足时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
- 直接内存：不属于虚拟机运行时数据区，也非《Java 虚拟机规范》定义的区域。JDK 1.4 引入 NIO 类后，可通过 Native 函数库分配堆外内存，通过 DirectByteBuffer 对象操作，能提高某些场景的性能。其分配不受 Java 堆大小限制，但受本机总内存和处理器寻址空间限制，若各内存区域总和超过物理内存限制，可能导致 OutOfMemoryError 异常。
二、HotSpot 虚拟机对象剖析
以最常用的 HotSpot 虚拟机和 Java 堆为例，深入了解对象在其中的创建、布局和访问过程。
- 对象的创建：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一 边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那 个指针向空闲空间方向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）。但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那 就没有办法简单地进行指针碰撞了，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）。当 Java 虚拟机遇到 new 指令时，首先检查指令参数能否在常量池中定位到类的符号引用，并确认该类是否已加载、解析和初始化。若未完成，需先执行类加载过程。类加载检查通过后，为对象分配内存，分配方式取决于 Java 堆是否规整，而堆的规整程度由垃圾收集器是否具备空间压缩整理能力决定。分配内存时，还需解决并发安全问题，可通过同步处理或使用本地线程分配缓冲（TLAB）来实现。内存分配完成后，将内存空间初始化为零值，设置对象头信息，最后执行构造函数<init>() 方法完成对象初始化 。
- 对象的内存布局：在 HotSpot 虚拟机中，对象在堆内存的存储布局由对象头、实例数据和对齐填充三部分组成。对象头包含用于存储对象运行时数据的 Mark Word（如哈希码、GC 分代年龄等）和类型指针（确定对象所属类），若为数组对象，还包含记录数组长度的数据。实例数据存储程序中定义的字段内容，存储顺序受虚拟机分配策略和字段定义顺序影响。对齐填充是为了满足对象起始地址为 8 字节整数倍的要求，起占位作用。
- 对象的访问定位：Java 程序通过栈上的 reference 数据操作堆上对象，主流访问方式有句柄和直接指针两种。使用句柄访问时，Java 堆会划分句柄池，reference 存储句柄地址，句柄包含对象实例数据与类型数据地址；使用直接指针访问时，Java 堆中对象内存布局需考虑放置访问类型数据的信息，reference 直接存储对象地址。