垃圾回收机制让开发者不需要考虑内存管理，这样不仅提高了开发效率，还改善了内存的使用状况。
Java堆内存
堆在JVM启动时被创建，用来维护运行时数据， 运行时创建的对象都是基于这块内存空间，如果动态创建的对象没有得到及时回收，则会持续堆积造成堆空间被占满，最终内存溢出。
因此Java提供了一种垃圾回收机制，在后台创建一个守护进程。会自动把堆空间的垃圾全部进行回收，从而保证程序的正常运行。
垃圾收集算法
Java语言规范没有明确的说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是垃圾收集算法一般都要做以下两件事：
- 发现垃圾（无用、不再存活的对象）；
- 回收被垃圾占用的内存空间。
大多数的垃圾回收算法使用了根集（root set）这个概念；垃圾回收首先会确定从根开始哪些是可达的，哪些是不可达的，从根集可达的对象是活动的对象，它们不能作为垃圾被回收。从根集通过任意路径不可达的对象被认为是应该被回收的垃圾。
根集：正在运行的Java程序可以访问的引用变量的集合（包括局部变量、参数、类变量）。程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。
常见的垃圾回收算法有以下几种：
引用计数法
引用计数法没有使用根集概念。该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。每一个创建的对象会对应一个引用计数器，存储该对象被引用的次数。当每一次创建一个对象并赋值给任意变量时，引用计数器的值置为1。当对象被赋给任意变量时，引用计数器值会每次加1。当对象出了作用域后（变量取消引用该对象），引用计数器值会减1，当引用计数器值为零时,意味着没有任何变量再使用这个对象（认为这个对象不再存活）。
基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行，但引用计数器增加了程序执行开销，且这种方案存在严重的问题，它无法检测“循环引用”：当两个对象互相引用，即使它俩都不被外界任何东西引用，它俩的计数都不为零，永远不会被垃圾回收器回收。
可达性分析
可达性分析算法是为了解决引用计数法的问题而提出的，它使用了根集的概念，把所有对象想象成一棵树，从根节点出发，将可达的对象标记为“存活”。其余的对象则被视为“死亡”（不可达的）。
基于可达性分析算法的垃圾收集也被称为标记和清除垃圾收集算法。
根集本身一定是可达的，这样从它们触发遍历到的对象才能保证一定可达。
Java中一定可达的对象主要有以下四种：
- 虚拟机栈（帧栈中的本地变量表）中引用的对象。
- 方法区中静态属性引用的对象。
- 方法区中常量引用的对象。
- 本地方法栈中JNI引用的对象。
回收垃圾机制
参考下图，黑色的表示垃圾，灰色表示存活对象，绿色表示空白空间。
要如何回收这些垃圾呢？
标记 - 清理
- 标记垃圾对象：所谓“标记”就是利用可达性遍历堆内存，把“存活”对象和“垃圾”对象进行标记，得到的结果如上图；
- 清理垃圾对象：把所有“垃圾”对象所占的空间清理回收。
结果如下：
这便是标记 - 清理方案，方便简单但是容易产生内存碎片。
标记 - 整理
为了解决内存碎片问题，在清理的时候，把所有存活的对象重新扎堆到同一片内存区域，这样就解决了内存碎片的问题。
以上两种方案适合存活对象多，垃圾少的情况。只需要清理掉少量的垃圾。然后挪动存活对象就可以。
复制
复制方法直接把堆内存分成两部分，一段时间内只允许在其中一块内存上进行分配，当这块内存被分配完后，则执行垃圾回收，把所有存活的对象复制到另一块内存上，然后清空当前内存。
最初只使用上部分的内存，直到内存使用完毕，进行垃圾回收，把所有存活对象复制到下部分，然后清空上部分内存。
这种做法不容易产生碎片，也简单粗暴；但是这意味着在一段时间只能使用一部分的内存，如果内存容量较小，意味着堆内存会频繁的复制清空。
复制方案适合存活对象少，垃圾多的情况，这样在复制时就不需要复制多少对象到另一块内存，多数垃圾直接被清空。
Java堆结构
一块Java堆空间一般分成三个部分，这三部分用来存储三类数据：
- 刚刚创建的对象。在程序运行时会持续不断地创造新的对象，这些对象会被统一放在一起。因为有很多局部变量等在新创建后很快就会变成不可达的对象，快速死去，因此这块区域的特点是存活对象少，垃圾多。可以形象的描述这块区域为：新生代；
- 存活了一段时间的对象。这些对象被创建了很久，并且一直活了下来。这些存活时间较长的对象会被放在一起，他们的特点是存活对象多，垃圾少。可以形象的描述这块区域为：老年代；
- 永久存在的对象。比如一些静态文件，这些对象的特点是不需要垃圾回收，永远存活。可以形象的描述这块区域为： 永生代（Java 8中已经把永久代删除，把这块内存空间给了元空间）
结合新生代和老年代的对象特点，对应的回收机制也不同，
新生代 - 复制 回收机制
由于新生代内存区域，会有大量新对象死去，只有少量存活。因此适合采用复制 回收算法，GC时把少量的存活对象复制到另一片内存。
针对复制算法，有以下几种思路：
- 把内存平均分成两等分：这样做的问题是内存空间的利用率很低只有一半的空间可以使用，对于新生代而言垃圾回收事件会发生的很频繁，影响正常程序运行。
- 把内存分成大小不等的两部分：如果划分的两部分的内存大小差异很小，则算法退化成了平分复制算法；如果大小差异很大，会存在一个很严重的问题，假设两个内存块的内存比例为1:9，由于内存空间比例相差很大，这就意味着，当从内存比例为9的内存区复制到内存比例为1的内存区时，由于内存区装不下那么多对象，而使得那些并不老的对象被放到了老年区，这就破坏了规则，且影响了老年区的垃圾回收的效率。
- 将内存分成一大两小三份（例如8:1:1），为了方便解释，将三个分区按序编号为1、2、3。首先1对外提供内存，快满时进行垃圾回收，将存活对象放入2；1清空后对外继续提供堆内存；当1再次被填满，此时对1和2同时进行垃圾回收，将存活对象存入3，同时清空1和2的内存；1继续对外提供内存，填满时进行垃圾回收把存活对象存入2，清空1和3的内存；重复上述操作...（这样便能确保进入老年代内存区的是真正的老对象）
显而易见最优的思路是3，因为觉得没必要展开来讲，偷个懒用文字表述了=V=。
老年代 - 标记整理 回收机制
由于老年代一般存放的是存活时间较久的对象，所以每次GC时，只有少部分对象被回收。因此选择使用标记整理垃圾回收机制，仅仅通过少量地移动对象就能清理垃圾，而且不存在内存碎片问题。
参考资料：
- Java技术之垃圾回收机制
- Java垃圾回收机制(GC)详解