3、垃圾回收
垃圾收集 Garbage Collection 通常被称为“GC”，它诞生于1960年 MIT 的 Lisp 语言，经过半个多世纪，目前已经十分成熟了。
JVM中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此，我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中，在程序运行期间，这部分内存的分配和使用都是动态的。
既然垃圾收集器的任务是回收垃圾对象所占的空间供新的对象使用，那么垃圾收集器如何确定某个对象是“垃圾”？
判断对象是否存活一般有两种方式：
引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。正因为循环引用的存在，因此 Java 虚拟机不使用引用计数算法。
可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的、不可达对象。
Java 虚拟机使用该算法来判断对象是否可被回收，在Java中GC Roots包括：
（1）虚拟机栈中局部变量表中引用的对象。
（2）方法区中类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JNI引用的对象。
方法区回收：
上面说的都是针对堆内存中对象的判断，方法区中主要回收的是废弃的常量和无用的类。
因为方法区主要存放永久代对象，而永久代对象的回收率比新生代低很多，因此在方法区上进行回收性价比不高。
判断常量是否废弃可以判断是否有地方引用这个常量，如果没有引用则为废弃的常量。
判断类是否废弃需要同时满足如下条件：
（1）该类所有的实例已经被回收（堆中不存在任何该类的实例）
（2）加载该类的ClassLoader已经被回收
（3）该类对应的java.lang.Class对象在任何地方没有被引用（无法通过反射访问该类的方法）
收集器设置：
-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器
-XX:+UseParallelGC:设置并行收集器
-XX:+UseParalledlOldGC:设置并行年老代收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置并发收集器
垃圾收集算法：
1）标记 -清除算法
“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。之所以说它是最基础的收集算法，是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。
它的主要缺点有两个：一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；另外一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。
2）复制算法
“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，持续复制长生存期的对象则导致效率降低。
3）标记-整理算法
复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。
根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
4）分代收集算法
GC分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短。
“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清除”或“标记-整理”算法来进行回收。
在这些区域的垃圾回收大概有如下几种情况：
* * 大多数情况下，新的对象都分配在Eden区，当Eden区没有空间进行分配时，将进行一次Minor GC，清理Eden区中的无用对象。清理后，Eden和From Survivor中的存活对象如果小于To Survivor的可用空间则进入To Survivor，否则直接进入老年代）；Eden和From Survivor中还存活且能够进入To Survivor的对象年龄增加1岁（虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，每执行一次Minor GC年龄加1），当存活对象的年龄到达一定程度（默认15岁）后进入老年代，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置年龄的值。
** 当进行了Minor GC后，Eden还不足以为新对象分配空间（那这个新对象肯定很大），新对象直接进入老年代。
** 占To Survivor空间一半以上且年龄相等的对象，大于等于该年龄的对象直接进入老年代，比如Survivor空间是10M，有几个年龄为4的对象占用总空间已经超过5M，则年龄大于等于4的对象都直接进入老年代，不需要等到MaxTenuringThreshold指定的岁数。
** 在进行Minor GC之前，会判断老年代最大连续可用空间是否大于新生代所有对象总空间，如果大于，说明Minor GC是安全的，否则会判断是否允许担保失败，如果允许，判断老年代最大连续可用空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小，如果大于，则执行Minor GC，否则执行Full GC。
** 当在java代码里直接调用System.gc()时，会建议JVM进行Full GC，但一般情况下都会触发Full GC，一般不建议使用，尽量让虚拟机自己管理GC的策略。
** 永久代（方法区）中用于存放类信息，jdk1.6及之前的版本永久代中还存储常量、静态变量等，当永久代的空间不足时，也会触发Full GC，如果经过Full GC还无法满足永久代存放新数据的需求，就会抛出永久代的内存溢出异常。
** 大对象（需要大量连续内存的对象）例如很长的数组，会直接进入老年代，如果老年代没有足够的连续大空间来存放，则会进行Full GC。
垃圾收集器
如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现。
新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel
老年代收集器：Serial Old 、Parallel Old、CMS
堆内存垃圾收集器：G1
1）串行收集器（Serial收集器）
Serial是一款用于新生代的单线程收集器，采用复制算法进行垃圾收集。Serial进行垃圾收集时，不仅只用一条线程执行垃圾收集工作，它在收集的同时，所有的用户线程必须暂停（Stop The World）。就比如妈妈在家打扫卫生的时候，肯定不会边打扫边让儿子往地上乱扔纸屑，否则一边制造垃圾，一遍清理垃圾，这活啥时候也干不完。
参数控制：-XX:+UseSerialGC 串行收集器
适用场景：Client模式（桌面应用）；单核服务器。
2）ParNew收集器
ParNew就是一个Serial的多线程版本，其它与Serial并无区别。ParNew在单核CPU环境并不会比Serial收集器达到更好的效果，它默认开启的收集线程数和CPU数量一致，可以通过-XX:ParallelGCThreads来设置垃圾收集的线程数。
参数控制：-XX:+UseParNewGC ParNew收集器
-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量
适用场景：多核服务器；与CMS收集器搭配使用。当使用-XX:+UserConcMarkSweepGC来选择CMS作为老年代收集器时，新生代收集器默认就是ParNew，也可以用-XX:+UseParNewGC来指定使用ParNew作为新生代收集器。
3）并行收集器（Parallel收集器）
Parallel Scavenge也是一款用于新生代的多线程收集器，与ParNew的不同之处是，ParNew的目标是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，Parallel Scavenge的目标是达到一个可控制的吞吐量。吞吐量就是CPU执行用户线程的的时间与CPU执行总时间的比值【吞吐量=运行用户代代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）】，比如虚拟机一共运行了100分钟，其中垃圾收集花费了1分钟，那吞吐量就是99% 。比如下面两个场景，垃圾收集器每100秒收集一次，每次停顿10秒，和垃圾收集器每50秒收集一次，每次停顿时间7秒，虽然后者每次停顿时间变短了，但是总体吞吐量变低了，CPU总体利用率变低了。
参数控制：-XX:+UseParallelGC 使用Parallel收集器+ 老年代串行
-XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
-XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间
-XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)
适用场景：注重吞吐量，高效利用CPU，需要高效运算且不需要太多交互。可以使用-XX:+UseParallelGC来选择Parallel
Scavenge作为新生代收集器，jdk7、jdk8默认使用Parallel
Scavenge作为新生代收集器。
4）Serial Old收集器
Serial Old收集器是Serial的老年代版本，同样是一个单线程收集器，采用标记-整理算法。
适用场景：Client模式（桌面应用）；单核服务器；与Parallel Scavenge收集器搭配；作为CMS收集器的后备预案。
5）并行老年代收集器（Parallel Old 收集器）
Parallel Old是Parallel
Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法。可以与Parallel
Scavenge收集器搭配，可以充分利用多核CPU的计算能力。这个收集器是在JDK 1.6中才开始提供
参数控制： -XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel收集器+ 老年代并行
适用场景：与Parallel Scavenge收集器搭配使用；注重吞吐量。jdk7、jdk8默认使用该收集器作为老年代收集器，使用-XX:+UseParallelOldGC来指定使用Paralle Old收集器。
6）并发收集器（CMS收集器）
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用都集中在互联网站或B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。
从名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说要更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：
① 初始标记（CMS initial mark）：标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度较快
② 并发标记（CMS concurrent mark）：进行GC Roots Tracing，标记出全部的垃圾对象，耗时较长
③ 重新标记（CMS remark）：修正并发标记阶段引用户程序继续运行而导致变化的对象的标记记录，耗时较短
④ 并发清除（CMS concurrent sweep）：用标记-清除算法清除垃圾对象，耗时较长
其中初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。 由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发地执行。
优点:并发收集、低停顿
缺点：产生大量空间碎片、并发阶段会降低吞吐量
参数控制：-XX:+UseConcMarkSweepGC 使用CMS收集器
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理
-XX:ParallelCMSThreads 设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）
CMS收集器也存在一些缺点：
对CPU资源敏感：默认分配的垃圾收集线程数为（CPU数+3）/4，随着CPU数量下降，占用CPU资源越多，吞吐量越小
无法处理浮动垃圾：在并发清理阶段，由于用户线程还在运行，还会不断产生新的垃圾，CMS收集器无法在当次收集中清除这部分垃圾。同时由于在垃圾收集阶段用户线程也在并发执行，CMS收集器不能像其他收集器那样等老年代被填满时再进行收集，需要预留一部分空间提供用户线程运行使用。当CMS运行时，预留的内存空间无法满足用户线程的需要，就会出现“Concurrent Mode Failure”的错误，这时将会启动后备预案，临时用Serial Old来重新进行老年代的垃圾收集。
因为CMS是基于标记-清除算法，所以垃圾回收后会产生空间碎片，可以通过-XX:UserCMSCompactAtFullCollection开启碎片整理（默认开启），在CMS进行Full GC之前，会进行内存碎片的整理。还可以用-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction设置执行多少次不压缩（不进行碎片整理）的Full GC之后，跟着来一次带压缩（碎片整理）的Full GC。
适用场景：重视服务器响应速度，要求系统停顿时间最短。可以使用-XX:+UserConMarkSweepGC来选择CMS作为老年代收集器。
为什么CMS算法会有内存碎片？
由于在CMS的回收步骤中，没有对内存进行压缩，所以会有内存碎片出现，CMS提供了一个整理碎片的功能，通过-XX:UseCMSCompactAtFullCollection 来启动此功能，启动这个功能后，默认每次执行Full GC的时候会进行整理，目前默认就是true了！（也可以通过-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction =n来制定多少次Full GC之后来执行整理），整理碎片会stop-the-world.默认是0，也就是在默认配置下每次CMS GC顶不住了而要转入full GC的时候都会做压缩。
7）G1收集器
G1 收集器是jdk1.7才正式引用的商用收集器，现在已经成为jdk9默认的收集器。前面几款收集器收集的范围都是新生代或者老年代，G1进行垃圾收集的范围是整个堆内存，它采用“化整为零”的思路，把整个堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region），在G1收集器中还保留着新生代和老年代的概念，它们分别都是一部分Region：
每一个方块就是一个区域，每个区域可能是Eden、Survivor、老年代，每种区域的数量也不一定。JVM启动时会自动设置每个区域的大小（1M~32M，必须是2的次幂），最多可以设置2048个区域（即支持的最大堆内存为32M*2048=64G），假如设置-Xmx8g -Xms8g，则每个区域大小为8g/2048=4M。
为了在GC Roots Tracing的时候避免扫描全堆，在每个Region中，都有一个Remembered Set来实时记录该区域内的引用类型数据与其他区域数据的引用关系（在前面的几款分代收集中，新生代、老年代中也有一个Remembered Set来实时记录与其他区域的引用关系），在标记时直接参考这些引用关系就可以知道这些对象是否应该被清除，而不用扫描全堆的数据。
G1收集器可以“建立可预测的停顿时间模型”，它维护了一个列表用于记录每个Region回收的价值大小（回收后获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），这样可以保证G1收集器在有限的时间内可以获得最大的回收效率。
与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：
1. 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。
2. 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。
G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。
收集步骤：
1）标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause(young) (inital-mark)
2）Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。
3）Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。
4）Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。
5）Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。
6）复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。
适用场景：要求尽可能可控GC停顿时间；内存占用较大的应用。可以用-XX:+UseG1GC使用G1收集器，jdk9默认使用G1收集器。