在Java的运行时数据区中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈三个区域都是线程私有的，随线程而生，随线程而灭，在方法结束或线程结束时，内存自然就跟着回收了，不需要过多考虑回收的问题。而Java堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾回收器关注的是这部分内存，“内存”分配回收也是指这一块，尤其需要注意。

1. 对象存活判定算法

1.1 引用计数法

在 Java 中，引用和对象是有关联的。如果要操作对象则必须用引用进行。因此，很显然一个简单
的办法是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单说，即一个对象如果没有任何与之关
联的引用，即他们的引用计数都不为 0，则说明对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收
对象
用引用计数器判断对象是否存活的过程是这样的：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的
引用计数算法的实现简单，判定效率也很高，大部分情况下是一个不错的算法。它没有被JVM采用的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

1.2 可达性分析

为了解决引用计数法的循环引用问题，Java 使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots”
对象作为起点搜索。如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。
要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记
过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

在Java中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：

虚拟机栈（栈帧中的局部变量表，Local Variable Table）中引用的对象。
方法区中类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（即一般说的Native方法）引用的对象。

1.3 四种引用类型

1.3.1 强引用

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引
用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即
使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之
一

1.3.2 软引用

软引用需要用 SoftReference 类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它
不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中

1.3.2 弱引用

弱引用需要用 WeakReference 类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象
来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

1.3.3 虚引用

虚引用需要 PhantomReference 类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚
引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

1.4 两次标记与 finalize()方法

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也不是一定会死亡的，它们暂时都处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象“死亡”，至少要经历两次标记过程：
如果对象在进行可达性分析后发现没有与 GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finaliza()方法。当对象没有覆盖finaliza()方法，或者finaliza()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
如果这个对象被判定为有必要执行finaliza()方法，那么此对象将会放置在一个叫做 F-Queue 的队列中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发此方法，但并不承诺会等待它运行结束，原因是：如果一个对象在finaliza()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能导致F-Queue 队列中的其它对象永久处于等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。
finaliza()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue 队列中的对象进行第二次小规模的标记。如果对象想在finaliza()方法中成功拯救自己，只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，例如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，这样在第二次标记时它将被移出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，基本上它就真的被回收了。
值得注意的是，如果代码中有两段一模一样的代码段，执行结果却是一次逃脱成功，一次失败。这是因为任何一个对象的finalize()方法都只会被系统调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会再被执行，因此第二次逃脱行动失败。
需要说明的是，使用finalize()方法来“拯救”对象是不值得提倡的，因为它不是C/C++中的析构函数，而是Java刚诞生时为了使C/C++程序员更容易接受它所做的一个妥协。它的运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。finalize()能做的工作，使用try-finally或者其它方法都更适合、及时，所以笔者建议大家可以忘掉此方法存在。

2. GC算法

2.1 标记清除算法（ Mark-Sweep ）

最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清
除阶段回收被标记的对象所占用的空间。如图

从图中我们就可以发现，该算法最大的问题是内存碎片化严重，后续可能发生大对象不能找到可
利用空间的问题。

2.2 复制算法（copying ）

为了解决 Mark-Sweep 算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小
的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用
的内存清掉，如图：

这种算法虽然实现简单，内存效率高，不易产生碎片，但是最大的问题是可用内存被压缩到了原
本的一半。且存活对象增多的话，Copying 算法的效率会大大降低。

2.3 标记整理算法(Mark-Compact)

结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和 Mark-Sweep 算法相同，标记后不是清
理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。如图：

2.4 分代收集算法

分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存
划分为不同的域，一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young
Generation)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收，新生代的特点是每次垃
圾回收时都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的算法。

2.4.1 新生代与复制算法

目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法，因为新生代中每次垃圾回收都要
回收大部分对象，即要复制的操作比较少，但通常并不是按照 1：1 来划分新生代。一般将新生代
划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Survivor 空间(From Space, To Space)，每次使用
Eden 空间和其中的一块 Survivor 空间，当进行回收时，将该两块空间中还存活的对象复制到另
一块 Survivor 空间中。

2.4.2 老年代与标记复制算法

而老年代因为每次只回收少量对象，因而采用 Mark-Compact 算法。
1. JAVA 虚拟机提到过的处于方法区的永生代(Permanet Generation)，它用来存储 class 类，
常量，方法描述等。对永生代的回收主要包括废弃常量和无用的类。
2. 对象的内存分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目
前存放对象的那一块)，少数情况会直接分配到老生代。
3. 当新生代的 Eden Space 和 From Space 空间不足时就会发生一次 GC，进行 GC 后，Eden
Space 和 From Space 区的存活对象会被挪到 To Space，然后将 Eden Space 和 From
Space 进行清理。
4. 如果 To Space 无法足够存储某个对象，则将这个对象存储到老生代。
5. 在进行 GC 后，使用的便是 Eden Space 和 To Space 了，如此反复循环。
6. 当对象在 Survivor 区躲过一次 GC 后，其年龄就会+1。默认情况下年龄到达 15 的对象会被
移到老生代中

3. GC 垃圾收集器

3.1 新生代

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

3.1.1 Serial 垃圾收集器（单线程、复制算法）

Serial（英文连续）是最基本垃圾收集器，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，它不但只会使用一个 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。

3.1.2 ParNew 垃圾收集器（Serial+ 多线程）

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。【Parallel：平行的】
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。

3.1.3 Parallel Scavenge 收集器（多线程复制算法、高效）

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。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。

3.2 年老代

3.2.1 Serial Old 收集器（单线程标记整理算法）

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：
1. 在 JDK1.5 之前版本中与新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
2. 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：

3.2.2 Parallel Old 收集器（多线程标记整理算法）

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：

3.2.3 CMS 收集器（多线程标记清除算法）

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 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：

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。

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。

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。

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：

3.3 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：
1. 基于标记-整理算法，不产生内存碎片。
2. 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。

4. 内存分配策略

Java的自动内存管理最终可以归结为自动化地解决了两个问题：

给对象分配内存
回收分配给对象的内存

对象的内存分配通常是在堆上分配（除此以外还有可能经过JIT编译后被拆散为标量类型并间接地栈上分配），对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中，分配的规则并不是固定的，实际取决于垃圾收集器的具体组合以及虚拟机中与内存相关的参数的设置。至于内存回收策略，在上文已经描述得很详尽了。
下面以使用Serial/Serial Old收集为例，介绍内存分配的策略。

4.1 对象优先在Eden区分配

大多数情况下，对象在新生代的Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

4.2 大对象直接进入老年代

所谓的大对象是指，需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是很长的字符串以及数组。大对象对虚拟机的内存分配来说是一个坏消息（尤其是遇到朝生夕灭的“短命大对象”，写程序时应避免），经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发GC以获取足够的连续空间来安置它们。
虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制（新生代采用复制算法回收内存）。

4.3 长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这点，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就将会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。

4.4 动态对象年龄判定

为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

4.5 空间分配担保

在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次Full GC。
前面提到过，新生代使用复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个Survivor空间来作为轮换备份，因此当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况（最极端的情况就是内存回收后新生代中所有对象都存活），就需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象直接进入老年代。与生活中的贷款担保类似，老年代要进行这样的担保，前提是老年代本身还有容纳这些对象的剩余空间，一共有多少对象会活下来在实际完成内存回收之前是无法明确知道的，所以只好取之前每一次回收晋升到老年代对象容量的平均大小值作为经验值，与老年代的剩余空间进行比较，决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。
取平均值进行比较其实仍然是一种动态概率的手段，也就是说，如果某次Minor GC存活后的对象突增，远远高于平均值的话，依然会导致担保失败（Handle Promotion Failure）。如果出现了HandlePromotionFailure失败，那就只好在失败后重新发起一次Full GC。虽然担保失败时绕的圈子是最大的，但大部分情况下都还是会将HandlePromotionFailure开关打开，避免Full GC过于频繁。

4.6 Full GC的触发条件

对于Minor GC，其触发条件非常简单，当Eden区空间满时，就将触发一次Minor GC。而Full GC则相对复杂，因此本节我们主要介绍Full GC的触发条件。

4.6.1 调用System.gc()

此方法的调用是建议JVM进行Full GC,虽然只是建议而非一定,但很多情况下它会触发 Full GC,从而增加Full GC的频率,也即增加了间歇性停顿的次数。因此强烈建议能不使用此方法就不要使用，让虚拟机自己去管理它的内存，可通过-XX:+ DisableExplicitGC来禁止RMI调用System.gc()。

4.6.2 老年代空间不足

老年代空间不足的常见场景为前文所讲的大对象直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等，当执行Full GC后空间仍然不足，则抛出如下错误： Java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space为避免以上两种状况引起的Full GC，调优时应尽量做到让对象在Minor GC阶段被回收、让对象在新生代多存活一段时间及不要创建过大的对象及数组。

4.6.3 空间分配担保失败

前文介绍过，使用复制算法的Minor GC需要老年代的内存空间作担保，如果出现了HandlePromotionFailure担保失败，则会触发Full GC。

4.6.4 JDK 1.7及以前的永久代空间不足

在JDK 1.7及以前，HotSpot虚拟机中的方法区是用永久代实现的，永久代中存放的为一些class的信息、常量、静态变量等数据，当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，Permanet Generation可能会被占满，在未配置为采用CMS GC的情况下也会执行Full GC。如果经过Full GC仍然回收不了，那么JVM会抛出如下错误信息： java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 为避免PermGen占满造成Full GC现象，可采用的方法为增大PermGen空间或转为使用CMS GC。
在JDK 1.8中用元空间替换了永久代作为方法区的实现，元空间是本地内存，因此减少了一种Full GC触发的可能性。

4.6.5 Concurrent Mode Failure

执行CMS GC的过程中同时有对象要放入老年代，而此时老年代空间不足（有时候“空间不足”是CMS GC时当前的浮动垃圾过多导致暂时性的空间不足触发Full GC），便会报Concurrent Mode Failure错误，并触发Full GC。

4.7 Minor GC触发条件

当Eden区满时，触发Minor GC。

5. 参考链接

GC算法与内存分配策 https://crowhawk.github.io/2017/08/10/jvm_2/

垃圾收集（GC）