程序计数器
程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作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中，字节码解释器工作时就是通过改变这个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于程序计数器来完成。
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，一个处理器都只会执行一条线程指令。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，所以程序计数器是线程私有的内存区域。
虚拟机栈
与程序计数器一样，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，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈的过程。
我们通常所说的内存分为堆内存（heap）和栈内存（stack），这种分法是比较粗糙的，java内存的划分实际上远比这复杂，这里所指的“栈内存”其实就是虚拟机栈中的局部变量表。局部变量表中存放了编译期可知的基本数据类型、对象引用。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是完全确定的，方法运行期不会改变局部变量表的大小。
在java虚拟机规范中，对于这个区域规定了两种异常情况：如果线程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，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所发挥的作用类似，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，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所使用的语言。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，HotSpot虚拟机直接把本地方法栈与虚拟机栈合二为一，与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
Java堆
对于大多数应用来说，Java堆是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，次内存区域唯一的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，这里说“几乎”是因为随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换等优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配的堆上逐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为“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，所以Java堆中还可以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。Java对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动本地线程分配缓冲，将按线程优先在线程私有分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中，分配的规划并不是百分百固定的，其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合，还有虚拟机中与内存相关的参数设置。
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，就像我们的磁盘空间一样。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的来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。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
方法区和java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储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成堆的一个逻辑部分。但是它有个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与java堆区分开来。
在HotSpot虚拟机上，方法区又称为“永久代“（Permanent Generation）准确来说是使用永久代来实现方法区，这样HotSpot的垃圾收集器就可以像管理java堆一样管理者部分内存。不过这样做更容易发生内存溢出问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限）。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中存放。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，java语言并不要求常量一定只有编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也有可能将新的常量放入池中，这种特性常用于String的intern()方法。
根据java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
直接内存
直接内存（Direct 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使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。JDK1.4后的NIO类，引入一种基于通道（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DirectByteBuffer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。