目标：1. 要了解有什么垃圾回收器，他们各自的特点是什么？

  1. 要调试一遍这种垃圾回收器，观察堆栈的变化
  2. 要了解这些垃圾回收器最佳的应用场景
  3. 要了解我们平常用的垃圾回收器以及可能会遇到的问题
  4. 每一种垃圾回收器在什么情况下会触发回收，minior GC,fullGC

首先，垃圾回收器主要的回收区域就是堆，那什么是垃圾？怎么判定他是不是垃圾，是否可以回收？

所谓“垃圾”，就是指所有不再存活的对象。常见的判断是否存活有两种方法：引用计数法和可达性分析

引用计数器

为每一个创建的对象分配一个引用计数器，用来存储该对象被引用的个数。当该个数为零，意味着没有人再使用这个对象，可以认为“对象死亡”。
问题？ 这种方法，一旦这个对象被引用过，就不会消亡吗？
当两个对象互相引用，即时它俩都不被外界任何东西引用，它俩的计数都不为零，因此永远不会被回收。而实际上对于开发者而言，这两个对象已经完全没有用处了。
因此，Java 里没有采用这样的方案来判定对象的“存活性”。

可达性分析

这种分析的方法就是，把引用的对象当做一棵树，如果没有被引用的对象，就是不可达的对象，可以将他回收。

GC Roots 究竟指谁呢？

我们可以猜测，GC Roots 本身一定是可达的，这样从它们出发遍历到的对象才能保证一定可达。那么，Java 里有哪些对象是一定可达呢？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。

    GC的算法

    标记清理法

    第一步，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； 第二步，既然“垃圾”已经标记好了，那我们再遍历一遍，把所有“垃圾”对象所占的空间直接清空即可。
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    缺点： 标记和清理过程都需要去遍历标记，这样的时间复杂度都是o(n),清除会产生内存碎片
    问题：那为什么还要用这种方式去做？他除了简单还有什么优点？

标记整理法

其实就是标记清理法的优化，为了解决标记整理时产生内存碎片的问题。主要思想是：把要回收的内存整理到一起，这样就没有内存碎片了。
这两种方案适合存活对象多，垃圾少的情况，它只需要清理掉少量的垃圾，然后挪动下存活对象就可以了。
一般用于老生代的垃圾回收

复制算法

这种方法比较粗暴，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，把所有存活对象全部复制到另一块内存上，当前内存则直接全部清空。
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起初时只使用上面部分的内存，直到内存使用完毕，才进行垃圾回收，把所有存活对象搬到下半部分，并把上半部分进行清空。
这种做法不容易产生碎片，也简单粗暴；但是，它意味着你在一段时间内只能使用一部分的内存，超过这部分内存的话就意味着堆内存里频繁的复制清空。
这种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过去，多数垃圾直接被清空处理。
一般用于新生代。

Java 的分代回收机制

  • 新生代：存活对象少、垃圾多，一般用复制算法

  • 老年代：存活对象多、垃圾少，一般用标记整理/标记清除

    Java 的堆结构

    一块 Java 堆空间一般分成三部分，这三部分用来存储三类数据：

  • 刚刚创建的对象。在代码运行时会持续不断地创造新的对象，这些新创建的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。形象点描述这块区域为：新生代；

  • 存活了一段时间的对象。这些对象早早就被创建了，而且一直活了下来。我们把这些存活时间较长的对象放在一起，它们的特点是存活对象多，垃圾少。形象点描述这块区域为：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。形象点描述这块区域为：永久代。（不过在 Java 8 里已经把永久代删除了，把这块内存空间给了元空间，后续文章再讲解。）

也就是说，常规的 Java 堆至少包括了 新生代 和 老年代 两块内存区域，而且这两块区域有很明显的特征：

有什么垃圾回收器呢？

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Serial、ParNew、Parallel Scavenge用于新生代；
CMS、Serial Old、Paralled Old用于老年代。 并且他们相互之间以相对固定的组合使用（具体组合关系如上图）。G1是一个独立的收集器不依赖其他6种收集器。ZGC是目前JDK 11的实验收集器

Serial收集器

Serial，是单线程执行垃圾回收的。当需要执行垃圾回收时，程序会暂停一切手上的工作，然后单线程执行垃圾回收。（stop the world）
因为新生代的特点是对象存活率低，所以收集算法用的是复制算法，把新生代存活对象复制到老年代，复制的内容不多，性能较好。
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单线程地好处就是减少上下文切换，减少系统资源的开销。但这种方式的缺点也很明显，在GC的过程中，会暂停程序的执行。若GC不是频繁发生，这或许是一个不错的选择，否则将会影响程序的执行性能。 对于新生代来说，区域比较小，停顿时间短，所以比较使用。
如果不需要频繁使用GC，实时性要求不高，可以忍受一定GC停顿时间，可以使用这种方式。

ParNew收集器

这个也是一个适用于新生代的收集器。是Serial的多线程版本，并且在参数、算法（同样是复制算法）上也完全和Serial相同。
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还是有一定的停顿问题，只是处理垃圾回收器的时候，可以利用多线程加快垃圾处理的速度。
因为是多线程执行，所以在多CPU下，ParNew效果通常会比Serial好。但如果是单CPU则会因为线程的切换，性能反而更差。
使用场景： parNew还是会在收集垃圾的时候暂停所有用户线程，所以不需要频繁使用GC，实时性要求不高，可以忍受一定GC停顿时间，可以使用这种方式。再者是多cpu的环境下使用。

Parallel Scavenge收集器

新生代的收集器，同样用的是复制算法，也是并行多线程收集。与ParNew最大的不同，它关注的是垃圾回收的吞吐量。
这里的吞吐量指的是 总时间与垃圾回收时间的比例。这个比例越高，证明垃圾回收占整个程序运行的比例越小。

  • -XX:MaxGCPauseMillis，最大垃圾回收停顿时间。这个参数的原理是空间换时间，收集器会控制新生代的区域大小，从而尽可能保证回收少于这个最大停顿时间。简单的说就是回收的区域越小，那么耗费的时间也越小。
    所以这个参数并不是设置得越小越好。设太小的话，新生代空间会太小，从而更频繁的触发GC。

  • -XX:GCTimeRatio，垃圾回收时间与总时间占比。这个是吞吐量的倒数，原理和MaxGCPauseMillis相同。

    1.   因为Parallel Scavenge收集器关注的是吞吐量，所以当设置好以上参数的时候，同时不想设置各个区域大小（新生代，老年代等）。可以开启**-XX:UseAdaptiveSizePolicy**参数，让JVM监控收集的性能，动态调整这些区域大小参数。

Serial Old收集器

老年代的收集器，与Serial一样是单线程，不同的是算法用的是标记-整理（Mark-Compact）。
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因为老年代里面对象的存活率高，如果依旧是用复制算法，需要复制的内容较多，性能较差。并且在极端情况下，当存活为100%时，没有办法用复制算法。所以需要用Mark-Compact，以有效地避免这些问题。

Parallel Old收集器

老年代的收集器，是Parallel Scavenge老年代的版本。其中的算法替换成Mark-Compact。
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CMS收集器

CMS，Concurrent Mark Sweep，同样是老年代的收集器。它关注的是垃圾回收最短的停顿时间（低停顿），在老年代并不频繁GC的场景下，是比较适用的。
命名中用的是concurrent，而不是parallel，说明这个收集器是有与工作执行并发的能力的。MS则说明算法用的是Mark Sweep算法。
来看看具体地工作原理。CMS整个过程比之前的收集器要复杂，整个过程分为四步：

  • 初始标记（initial mark），单线程执行，需要“Stop The World”，但仅仅把GC Roots的直接关联可达的对象给标记一下，由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
  • 并发标记（concurrent mark），对于初始标记过程所标记的初始标记对象，进行并发追踪标记，此时其他线程仍可以继续工作。此处时间较长，但不停顿。
  • 重新标记（remark），在并发标记的过程中，由于可能还会产生新的垃圾，所以此时需要重新标记新产生的垃圾。此处执行并行标记，与用户线程不并发，所以依然是“Stop The World”，时间比初始时间要长一点。
  • 并发清除（concurrent sweep），并发清除之前所标记的垃圾。其他用户线程仍可以工作，不需要停顿。

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由于CMS以上特性，缺点也是比较明显的，

  • Mark Sweep算法会导致内存碎片比较多
  • CMS的并发能力依赖于CPU资源，所以在CPU数少和CPU资源紧张的情况下，性能较差
  • 并发清除阶段，用户线程依然在运行，所以依然会产生新的垃圾，此阶段的垃圾并不会再本次GC中回收，而放到下次。所以GC不能等待内存耗尽的时候才进行GC，这样的话会导致并发清除的时候，用户线程可以了利用的空间不足。所以这里会浪费一些内存空间给用户线程预留。

CMS三个明显的缺点：
（1）CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。在JDK1.5的默认设置下，CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活。
（2）CMS是基于“标记-清除”算法实现的收集器，手机结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多，可能会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前出发FullGC。
有人会觉得既然Mark Sweep会造成内存碎片，那么为什么不把算法换成Mark Compact呢？
答案其实很简答，因为当并发清除的时候，用Compact整理内存的话，原来的用户线程使用的内存还怎么用呢？要保证用户线程能继续执行，前提的它运行的资源不受影响嘛。Mark Compact更适合“Stop the World”这种场景下使用。

G1收集器

G1，Garbage First，在JDK 1.7版本正式启用，是当时最前沿的垃圾收集器。G1可以说是CMS的终极改进版，解决了CMS内存碎片、更多的内存空间登问题。虽然流程与CMS比较相似，但底层的原理已是完全不同。
高效益优先。G1会预测垃圾回收的停顿时间，原理是计算老年代对象的效益率，优先回收最大效益的对象。
堆内存结构的不同。以前的收集器分代是划分新生代、老年代、持久代等。
G1则是把内存分为多个大小相同的区域Region，每个Region拥有各自的分代属性，但这些分代不需要连续。
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这样的分区可以有效避免内存碎片化问题。
为了解决这个问题，G1对于每个Region都维护一个Remembered Set，用于记录对象引用的情况。当GC发生的时候根据Remembered Set的引用情况去搜索。
两种GC模式：

  • Young GC，关注于所有年轻代的Region，通过控制收集年轻代的Region个数，从而控制GC的回收时间。
  • Mixed GC，关注于所有年轻代的Region，并且加上通过预测计算最大收益的若干个老年代Region。

整体的执行流程：

  • 初始标记（initial mark），标记了从GC Root开始直接关联可达的对象。STW（Stop the World）执行。
  • 并发标记（concurrent marking），并发标记初始标记的对象，此时用户线程依然可以执行。
  • 最终标记（Remark），STW，标记再并发标记过程中产生的垃圾。
  • 筛选回收（Live Data Counting And Evacuation），评估标记垃圾，根据GC模式回收垃圾。STW执行。

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下面给出配置回收器时，经常使用的参数：
-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器
-XX:+UseParNewGC：在新生代使用并行收集器
-XX:+UseParallelGC ：新生代使用并行回收收集器，更加关注吞吐量
-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用并行回收收集器
-XX:ParallelGCThreads：设置用于垃圾回收的线程数
-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器
-XX:ParallelCMSThreads：设定CMS的线程数量
-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器