1. 概述

在编写Java程序时，一般不用内存管理，不用像C++一样需要在程序中手动释放内存。JVM的垃圾收集器会自动对内存进行释放，不用程序员担心，虽然如此，但是了解一下其内部工作机制是很有必要的。

1.1 GC名词解释

Minor GC: 针对新生代的垃圾回收；
Young GC：针对新生代的垃圾回收，和Minor GC等价；
Old GC：针对老年代的垃圾回收；
Full GC：针对新生代、老年代、永久代的整体内存空间的垃圾回收；
Major GC：这个名词容易混淆，有些人把Major GC跟Old GC等价起来，认为他就是针对老年代的GC，也有人把Major GC和Full GC等价起来，认为他是针对JVM全体内存区域的GC，建议不要使用该名词；
Mixed GC：G1中特有的概念，是指在G1中，一旦老年代占据堆内存的45%，就会触发对新生代和老年代都进行回收的混合回收。

1.2 垃圾回收触发时机

新生代回收
当新生代中的对象越来越多，快撑满了，此时若有新的对象需要创建的话，就会触发垃圾回收。

Full GC

Young GC之前，如果“老年代连续可用内存空间大小<历次新生代Young GC后进入老年代的平均对象大小”，说明此次"Young GC后进入老年代的对象大小" 可能超过 "老年代连续可用内存空间大小",此时会触发一次Old GC让老年代腾出更多的内存空间，然后再执行Young GC；
Young GC之后，发现剩余对象太多，老年代都放不下了；
老年代内存占用达到一定比例，超过-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction。（CMS）
存放类信息、常量池的永久代满了.

1.3 回收哪些对象

JVM在进行垃圾回收的时候，到底会回收哪些对象呢？如果一个对象的引用链路上没有一个GC Roots，那么该对象就是垃圾对象，在垃圾回收的时候就会被回收。
可以作为GC Roots的对象有：

方法的局部变量；
类的静态变量；

例如，以下程序：

public void call() {
    User user = new User();
    ....
}

当程序执行到call方法时，会在当前线程的Java虚拟机栈中，为call方法创建一个栈帧。局部变量表中user变量引用着堆空间的User对象。假如在call方法的栈帧还未出栈时发生了GC，此时User对象被局部变量user引用着，所以User对象不会被回收掉。

也就是说，只要你的对象被方法的局部变量、类的静态变量给强引用了，就不会被回收。这里为什么是强应用呢？我们知道，在Java中引用类型有4种：强、软、弱、虚。

正常情况下，垃圾回收是不会回收软引用对象的，但是如果在垃圾回收之后，发现内存仍然不足，此时就会把这些软引用对象给回收掉，哪怕它被变量引用着。

弱引用和虚引用只要发生垃圾回收就会被回收掉。

1.4 Stop The World

Stop The World指的是在垃圾回收的时候，应用程序需要暂停一会等待垃圾回收完毕。也就是说，垃圾回收会暂停我们写的Java系统中所有的工作线程，让我们的程序停止运行。

之所以需要Stop The World是因为不能JVM在进行回收垃圾，应用系统却在生产垃圾（系统运行就会创建对象，创建出来的对象可能在垃圾回收期间成为新的垃圾）。

垃圾回收停顿的时间越少越好，垃圾回收器在不断升级过程中，都在朝着降低Stop The World持续的时间努力。不过目前而言，再好的垃圾回收器也只是更加降低Stop The World的时间，而没法避免。

2. 垃圾回收算法

JVM中垃圾回收算法有以下几种：

引用计数法；
复制算法；
标记清除；
标记整理。

引用计数法是看当前对象有多少引用，有一个引用相应的应用计数就加1，当引用计数为0时，表示没有任何引用，即可以被垃圾回收。不过在实际应用中，一般很少采用引用计数法来进行垃圾回收。

复制算法就是把相应的内存区域划分成两块，一块使用一块空闲，当发生垃圾回收时，将在使用中的存活对象复制到未被使用的区域。

复制算法

标记清除算法会先标记出是存活对象还是垃圾对象，标记完之后，再将标记为垃圾的对象进行清理，此种方式容易形成内存碎片。

标记清除

标记整理算法也和标记清除一样，先对存活对象/垃圾对象进行标记。标记完成之后再进行清理，针对清理过程中形成的内存碎片，标记整理算法会将多个小块的内存碎片整理成一块整的内存区域。

标记整理

3. 垃圾回收的方式

JVM进行垃圾回收的时候，会起一个守护线程，专门用于垃圾回收。根据垃圾回收线程和应用线程运行的时机，可将垃圾回收方式按以下方式划分：

串行（Serial）回收：只使用一个线程进行垃圾回收，用于单线程的客户端。
并行（Parallel）回收：多个垃圾回收线程并行工作，常用于科学计算、大数据处理等和用户交互少的场景。
并发（CMS）回收：用户线程和垃圾回收线程可以同时执行，适用于对垃圾回收停顿时间有要求的场景。
G1：将堆内存分割成不同的区域然后并发的对其进行垃圾回收。

4. 老年代垃圾回收

对象进入老年代的时机

我们创建的对象会优先放入新生代中。那在什么情况下，对象会进入老年代？对象存在以下进入老年代的时机：

在新生代躲过15次GC；
动态年龄判断；
大对象直接进入老年代；
YoungGC后存活对象太多，无法放入Survivor；
老年代空间分配担保规则

老年代的垃圾回收速度会比新生代垃圾回收速度慢10倍，如果频繁出现老年代的垃圾回收，会影响到系统的性能，同时系统会出现卡顿现象。那为啥老年代垃圾回收会慢呢？主要是由于以下几种原因：

老年代存活的对象很对，所以追踪到GC Roots的链路就长了；
清理的时候并不是对一整块内存进行清理，而是先找到零零散散的垃圾对象再进行清理；
清理完垃圾对象之后还会对内存碎片进行整理。

5. 具体的垃圾回收器

Hotspot中的具体的垃圾回收产品有7中，它们分别是：

Serial，串行方式，用于新生代，采用复制算法。
ParNew，并行回收，用于新生代，采用复制算法。
Parallel Scavenge，并行回收，用于新生代，采用复制算法。
Serial Old，串行回收，用于老年代，采用标记-整理算法。
Parallel Old，并行回收，用于老年代，采用标记-整理算法。
CMS，并发回收，用于老年代，采用标记-清除算法。
G1，应用于新生代和老年代，整体上采用标记-整理算法，ju

其中Serial、ParNew、Parallel Scavenge适用于新生代，Serial Old、Parallel Old、CMS适用于老年代。

图中的连线表示，新生代使用的垃圾回收器和老年代使用的垃圾回收器是相互关联的，可以在JVM参数中只显式配置其中一个。例如，新生代配置使用Serial垃圾回收器，老年代就会自动使用Serial Old垃圾回收器。
其中红色叉叉表示Java8版本开始，对应的垃圾回收组合不推荐使用。

5.1 Serial/Serial Old收集器

Serial和Serial Old收集器都是串行收集器，只会使用一个线程进行垃圾回收，垃圾回收的时会停止应用线程进行Stop The World状态。

其中Serial采用复制算法，Serial Old采用标记-整理算法。

对应的JVM参数是：-XX:+UseSerialGC。启用此参数之后，新生代使用Serial，老年代使用Serial Old。

5.2 ParNew

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，它是很多虚拟机运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。其主要场景是配合老年代的CMS GC工作。

启用ParNew收集器所对应的JVM参数：-XX:+UseParNewGC。如果不指定老年代的GC收集器，老年代默认会启用Serial Old。
限制GC回收线程数量：-XX:ParallelGCThreads，默认开启和CPU相同的线程数。

5.3 Parallel

Parallel（Parallel Scavenge）和ParNew都是新生代的多线程并行收集器，它们各自的关注点不同，Parallel主要关注：

可控制的吞吐量：吞吐量Thoughput=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)
自适应调节策略：虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量。

使用一下参数启用Parallel垃圾收集器

-XX:+UseParallelGC  或者使用
-XX:+UseParallelOldGC 相互激活

-XX:ParallelGCThreads=数字N表示启动GC线程的个数。

5.4 Parallel Old

Parallel Old收集器是Parallel收集器的老年代版本，使用多线程的标记-整理算法。

5.5 CMS

CMS是一种以获得最短GC停顿为目标的采用并发标记清除的垃圾收集器，它尽量允许在GC的时候，用户线程可以并发执行。

为了避免长时间的STW，CMS将垃圾回收分成4个阶段：

初始标记：只标记GC Roots直接关联的对象，速度非常快，需要STW；
并发标记：对所有对象进行到GC Roots的追踪，比较耗时，和用户线程一起运行，不需要STW；
重新标记：针对并发标记阶段，用户线程产生的新变化进行重写标记，需要STW；
并发清除：对垃圾对象进行清除，和用户线程一起运行，不需要STW。

CMS非常适合堆内存大、CPU核数多的服务端应用上，也是G1出现之前，大型应用老年代的首选收集器。

开启该收集器的JVM参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC，开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。

CMS回收器在并发标记和并发清理两个阶段，系统工作线程和垃圾回收线程同时工作，会导致有限的CPU资源被消耗。CMS默认启动的垃圾回收线程的数量是（CPU核数 + 3）/ 4。

5.5.1 Concurrent Mode Failure

并发清理阶段，由于工作线程不停止工作，所以可能会发生：新的对象进行老年代以及产生新的垃圾对象（这种称为“浮动垃圾”）。
浮动垃圾在本次垃圾回收并没有被标记出来，所以会一直等到下次GC的时候再对其进行回收。
在并发清理期间，新对象进入老年代，可能会存在老年代空间不够，此时该如何处理？CMS会预留一定比例的空间以供并发清理期间新对象进入老年代。这个比例可以通过-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction(jdk6中默认为92%)进行设置，当老年代已使用的空间超过这个比例时会触发一次Old GC。
如果预留的空间还是不够容纳并发清理期间进入老年代对象，此时会发生Concurrent Mode Failure。系统没法再一边回收，一边将对象放入老年代。此时会自动启用Serial Old垃圾回收器代替CMS，直接让系统程序Stop The World，重新标记垃圾对象，并不允许创建新的对象，然后再一次性回收垃圾对象。

5.5.2 内存整理

CMS采用“标记-清理”算法，所以会产生内存碎片问题，太多的内存碎片容易导致更加频繁的Full gc。所以CMS提供了-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection参数用来设置是否在并发清理之后，是否要对内存碎片进行一个压缩，即将存活对象都挪到一起。
除此之外，还有一个类似的参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction表示在进行多少次FullGC之后进行一次内存碎片的压缩，其默认是0。

5.6 G1

G1是JDK1.7引入的，可以使用-XX:+UseG1GC开启。

5.6.1 Region

G1区别于上面几个垃圾收集器，上面几个垃圾收集器必须按照新生代和老年代进行划分，且只能对新生代或者老年代其中一块区域进行回收。而G1是将整个堆内存划分成一块块的Region，其既能回收新生代又能回收老年代的对象。如下图所示：

图中可以看到G1还是会有新生代(Eden和Surivor)和老年代的这些概念，新生代包含哪些Region，老年代包含哪些Region。只不过这个过程是自动变化的，对某个region来说，可能一开始谁都不属于，然后被分配给了新生代，然后垃圾回收之后，又被分配给了老年代。故此G1中不存在新生代给多少内存、老年代给多少内存的说法。

G1中，大对象存在专门的Region，大对象的判定规则是一个大对象超过了一个Region大小的50%，就认为是个大对象。

默认情况下，G1中有2048个Region，Region的size=堆的大小 / 2048。

5.6.2 回收价值

G1收集器既可以提高吞吐量，又可以减少GC时间。最重要的是STW可控，增加了预测机制，让用户指定停顿时间。可以通过-XX:MaxGCPauseMills参数进行设置，默认值是200ms。

那么G1是有何尽量保证在垃圾回收期间，停顿用户指定的时间？G1会追踪每个Region的回收价值，回收价值指的是如果对某个Region进行垃圾回收，需要耗费多长时间，可以回收多少垃圾。在垃圾回收过程中，G1会尽量把垃圾回收对系统的影响范围控制在用户指定的时间范围内，同时在有限的时间内回收掉更多的垃圾对象。
例如，如果存在Region1和Region2，region1回收的话，需要花费100ms，能回收300M垃圾；region2回收需要200ms，能够回收100M垃圾。这种情况的话G1会优先选择回收region1。

5.6.3 G1的新生代回收

随着新生代的Eden占用的Region越来越多，直到新生代达到了设定的占据堆内存的60%，此时会触发新生代的GC，G1就会进入Stop The World状态，并采用复制算法来进行垃圾回收。回收过程和ParNew一样：把Eden区存活的对象放入S1，然后清空Eden区，再次回收的时候，将Eden区和S1区的存活对象放入S2，清空Eden区和S1区，如此反复。

5.6.4 G1对象进行老年代的时机

G1收集器中的对象进入老年代的时机和其他收集器几乎是一样的：

对象在新生代躲过了很多次的垃圾回收，达到了-XX:MaxTenuringThreshold参数设置的年龄，对象就会进入老年代；
动态年龄判定规则如果一旦发现某次新生代GC过后，存活对象超过了Survivor的50%。此时就会判断一下，例如年龄为1岁，2岁，3岁的对象的大小总和超过了Survivor的50%，此时3岁以上的对象全部会进入老年代；
存活对象在Survivor放不下了，对象会直接进入老年代。

5.6.5 G1的老年代回收

当老年代对应Region的大小占据了堆内存一定比例（默认为45%，可以通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent来变更）时，会触发一次混合回收，混合回收会对新生代和老年代一起进行垃圾回收。

G1的混合回收过程和CMS很类似，标记阶段分为：初始标记、并发标记和重新标记，这3个标记过程所做的事和CMS都一样。不一样的是最后一个混合回收阶段，它会对新生代、老年代和大对象的Region中的对象进行清理，并且它所采用的是复制算法。
此外，混合回收阶段是允许执行多次的。比如先停止工作，执行一次混合回收回收掉一些Region，接着恢复系统运行，然后再次停止系统运行，再执行一次混合回收回收掉一些Region。我们可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置执行次数，默认是8次。

如果在进行Mixed回收的时候，无论是年轻代还是老年代都基于复制算法进行回收，都要把各个Region的存活对象拷贝到别的Region里去
此时万一出现拷贝的过程中发现没有空闲Region可以承载自己的存活对象了，就会触发一次失败。
一旦失败，立马就会切换为停止系统程序，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出来一批Region，这个过程是极慢极慢的。

https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8663872.html

Java垃圾回收机制