JVM垃圾收集算法及垃圾收集器
一 根搜索算法 （收集垃圾）
根搜索算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有的引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点以后，继续寻找这个节点的引用节点，当所有的引用节点寻找完毕之后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。
目前java中可作为GC Root的对象有
1、 虚拟机栈中引用的对象（本地变量表）
2、 方法区中静态属性引用的对象
3、 方法区中常量引用的对象
4、 本地方法栈中引用的对象（Native对象）
今天来总结一下最近学习到的JVM垃圾收集算法和垃圾收集器。原来以为这部分知识，对于一个Java程序员的用处不大，可是如果你的运营Web项目，出现了性能问题，那么这部分知识可以帮助你从运维的角度来优化你的项目。
首先，先讲一下JVM的垃圾收集算法，因为这是学习垃圾收集器的前堤。各种垃圾收集器也都是基于这些算法来实现的。
二、JVM垃圾收集算法
JVM垃圾收集算法有四种：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法、分代收集算法
1 标记-清除算法：
该算法如同它的名字一样，分为两个阶段：标记、清除。首先标记出所有需要回收的对象，然后，统一清除这些被标记的对象。该算法的缺点是：1、效率不高；2、产生大量不连续的内存碎片，导致有大量内存剩余的情况下，由于，没有连续的空间来存放较大的对象，从而触发了另一次垃圾收集动作。
2 复制算法：
由于标记-清除算法的效率不高，从而提出了复制算法。复制算法将可用的内存分成两样大小的两块，每次只使用其中一块内存。当这块内存用完之后，就把还存活的对象复制到另外一块上面，然后，把这块清空。复制算法克服了标记-清除算法的两个缺点，但是太浪费内存，相当于内存空间减小了一半。
随着时间的积累，现在使用的复制算法的虚拟机，不再是把内存分为1：1的两块。因为98%的对象是寿命很短的，创建之后，很快就被回收了，存活下来的只有2%，所以，用来存储存活对象的内存区，可以小一些。现在的商业虚拟机是把可用内存分为一个较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中的一块Survivor。当回收时，把Eden和Survivor中的存活对象一次复制到另一块Survivor内存区上，然后把Eden和刚才用过的Survivor空间清空。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8：1，这样，每次新产生的对象可以使用90%的内存空间。
3 标记-整理算法
从名字可以看出，该算法是对“标记-清除”算法的改进升级版。同样的该算法分为两个阶段：标记、整理。标记阶段同“标记-清除”算法。整理阶段，不是直接对标记对象进行清理，而是让所有存活的对象都移动到一端，然后，直接把边界以外的内存清空。这就解决了“标记-清除”算法会造成大量不连续内存碎片的问题。
4 分代收集算法
分代收集算法是根据对象的存活周期的不同，将内存划分为几块。当前的商业虚拟机的垃圾收集都采用了该算法。一般把Java堆分成新生代（年轻代）和老年代（年老代）。这样就可以根据各年代中对象的存活周期来选择最合适的收集算法了。新生代，由于只有少量的对象能存活下来，所以选用“复制算法”，只需要付出少量存活对象的复制成本。老年代，由于对象的存活率高，没有额外的空间分担，就必须使用“标记-清除”或“标记-整理”算法。
三、垃圾收集器
Java堆内存被划分为新生代和年老代两部分，新生代主要使用复制和标记-清除垃圾回收算法，年老代主要使用标记-整理垃圾回收算法，因此java虚拟中针对新生代和年老代分别提供了多种不同的垃圾收集器，JDK1.6中Sun HotSpot虚拟机的垃圾收集器如下：
图中如果两个垃圾收集器直接有连线，则表明这两个垃圾收集器可以搭配使用。
(1). Serial垃圾收集器：
Serial是最基本、历史最悠久的垃圾收集器，使用复制算法，曾经是JDK1.3.1之前新生代唯一的垃圾收集器。
Serial是一个单线程的收集器，它不仅仅只会使用一个CPU或一条线程去完成垃圾收集工作，并且在进行垃圾收集的同时，必须暂停其他所有的工作线程，直到垃圾收集结束。
Serial垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程，但是它简单高效，对于限定单个CPU环境来说，没有线程交互的开销，可以获得最高的单线程垃圾收集效率，因此Serial垃圾收集器依然是java虚拟机运行在Client模式下默认的新生代垃圾收集器。
(2). ParNew垃圾收集器：
ParNew垃圾收集器其实是Serial收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃圾收集之外，其余的行为和Serial收集器完全一样，ParNew垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也要暂停所有其他的工作线程。
ParNew收集器默认开启和CPU数目相同的线程数，可以通过-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集器的线程数。
ParNew虽然是除了多线程外和Serial收集器几乎完全一样，但是ParNew垃圾收集器是很多java虚拟机运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。
(3).Parallel Scavenge收集器：
Parallel Scavenge收集器也是一个新生代垃圾收集器，同样使用复制算法，也是一个多线程的垃圾收集器，它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量（Thoughput，CPU用于运行用户代码的时间/CPU总消耗时间，即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)），高吞吐量可以最高效率地利用CPU时间，尽快地完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而不需要太多交互的任务。
Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精准控制吞吐量：
a.-XX:MaxGCPauseMillis：控制最大垃圾收集停顿时间，是一个大于0的毫秒数。
b.-XX:GCTimeRation：直接设置吞吐量大小，是一个大于0小于100的整数，也就是程序运行时间占总时间的比率，默认值是99，即垃圾收集运行最大1%（1/(1+99)）的垃圾收集时间。
Parallel Scavenge是吞吐量优先的垃圾收集器，它还提供一个参数：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy，这是个开关参数，打开之后就不需要手动指定新生代大小(-Xmn)、Eden与Survivor区的比例(-XX:SurvivorRation)、新生代晋升年老代对象年龄(-XX:PretenureSizeThreshold)等细节参数，虚拟机会根据当前系统运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以达到最大吞吐量，这种方式称为GC自适应调节策略，自适应调节策略也是ParallelScavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。
(4).Serial Old收集器：
Serial Old是Serial垃圾收集器年老代版本，它同样是个单线程的收集器，使用标记-整理算法，这个收集器也主要是运行在Client默认的java虚拟机默认的年老代垃圾收集器。
在Server模式下，主要有两个用途：
a.在JDK1.5之前版本中与新生代的Parallel Scavenge收集器搭配使用。
b.作为年老代中使用CMS收集器的后备垃圾收集方案。
新生代Serial与年老代Serial Old搭配垃圾收集过程图：
新生代Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器工作原理类似，都是多线程的收集器，都使用的是复制算法，在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。
新生代Parallel Scavenge/ParNew与年老代Serial Old搭配垃圾收集过程图：
(5).Parallel Old收集器：
Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的年老代版本，使用多线程的标记-整理算法，在JDK1.6才开始提供。
在JDK1.6之前，新生代使用ParallelScavenge收集器只能搭配年老代的Serial Old收集器，只能保证新生代的吞吐量优先，无法保证整体的吞吐量，Parallel Old正是为了在年老代同样提供吞吐量优先的垃圾收集器，如果系统对吞吐量要求比较高，可以优先考虑新生代Parallel Scavenge和年老代Parallel Old收集器的搭配策略。
新生代Parallel Scavenge和年老代Parallel Old收集器搭配运行过程图：
(6).CMS收集器：
Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种年老代垃圾收集器，其最主要目标是获取最短垃圾回收停顿时间，和其他年老代使用标记-整理算法不同，它使用多线程的标记-清除算法。
最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验，CMS收集器是Sun HotSpot虚拟机中第一款真正意义上并发垃圾收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程和用户线程同时工作。
CMS工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为以下4个阶段：
a.初始标记：只是标记一下GC Roots能直接关联的对象，速度很快，仍然需要暂停所有的工作线程。
b.并发标记：进行GC Roots跟踪的过程，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。
c.重新标记：为了修正在并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，仍然需要暂停所有的工作线程。
d.并发清除：清除GC Roots不可达对象，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。
由于耗时最长的并发标记和并发清除过程中，垃圾收集线程可以和用户现在一起并发工作，所以总体上来看CMS收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。
CMS收集器工作过程：
CMS收集器有以下三个不足：
a. CMS收集器对CPU资源非常敏感，其默认启动的收集线程数=(CPU数量+3)/4，在用户程序本来CPU负荷已经比较高的情况下，如果还要分出CPU资源用来运行垃圾收集器线程，会使得CPU负载加重。
b. CMS无法处理浮动垃圾(Floating Garbage)，可能会导致Concurrent ModeFailure失败而导致另一次Full GC。由于CMS收集器和用户线程并发运行，因此在收集过程中不断有新的垃圾产生，这些垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在本次收集中处理掉它们，只好等待下一次GC时再将其清理掉，这些垃圾就称为浮动垃圾。
CMS垃圾收集器不能像其他垃圾收集器那样等待年老代机会完全被填满之后再进行收集，需要预留一部分空间供并发收集时的使用，可以通过参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置年老代空间达到多少的百分比时触发CMS进行垃圾收集，默认是68%。
如果在CMS运行期间，预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次ConcurrentMode Failure失败，此时虚拟机将启动预备方案，使用Serial Old收集器重新进行年老代垃圾回收。
c. CMS收集器是基于标记-清除算法，因此不可避免会产生大量不连续的内存碎片，如果无法找到一块足够大的连续内存存放对象时，将会触发因此Full GC。CMS提供一个开关参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，用于指定在Full GC之后进行内存整理，内存整理会使得垃圾收集停顿时间变长，CMS提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction，用于设置在执行多少次不压缩的Full GC之后，跟着再来一次内存整理。
(7).G1收集器：
Garbage first垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的最前沿成果，相比与CMS收集器，G1收集器两个最突出的改进是：
a.基于标记-整理算法，不产生内存碎片。
b.可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。
G1收集器避免全区域垃圾收集，它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域。
区域划分和优先级区域回收机制，确保G1收集器可以在有限时间获得最高的垃圾收集效率。
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Java虚拟机常用的垃圾收集器相关参数如下：
| 参数 |
描述 |
| UseSerialGC |
虚拟机运行在Client模式的默认值，打开此开关参数后， |
| UseParNewGC |
打开此开关参数后，使用ParNew+Serial Old收集器组合进 |
| UseConcMarkSweepGC |
打开此开关参数后，使用ParNew+CMS+Serial Old收集器组 |
| UseParallelGC |
虚拟机运行在Server模式的默认值，打开此开关参数后， |
| UseParallelOldGC |
打开此开关参数后， |
| SurvivorRation |
新生代内存中Eden区域与Survivor区域容量比值，默认是8，即 |
| PretenureSizeThreshold |
直接晋升到年老代的对象大小，设置此参数后，超过该大小的 |
| MaxTenuringThreshold |
直接晋升到年老代的对象年龄，每个对象在一次Minor GC之后还 |
| UseAdaptiveSizePolicy |
java虚拟机动态自适应策略，动态调整年老代对象年龄和各个区域大小。 |
| HandlePromotionFailure |
是否允许担保分配内存失败，即整个年老代空间不足，而整个新生代中Eden和Survivor对象都存活的极端情况。 |
| ParallelGCThreads |
设置并行GC时进行内存回收的线程数。 |
| GCTimeRation |
Parallel Scavenge收集器运行时间占总时间比率。 |
| MaxGCPauseMillis |
Parallel Scavenge收集器最大GC停顿时间。 |
| CMSInitiatingOccupancyFraction |
设置CMS收集器在年老代空间被使用多少百分比之后触发垃圾收集，默认是68%。 |
| UseCMSCompactAtFullCollection |
设置CMS收集器在完成垃圾收集之后是否进行一次内存整理。 |
| CMSFullGCsBeforeCompaction |
设置CMS收集器在进行多少次垃圾收集之后才进行一次内存整理。 |
-verbose:gc 可以查看Java虚拟机垃圾收集结果。