内容参考JVM垃圾回收详解（重点）

前言

无特殊说明，本文针对的是HotSpot虚拟机(JVM的一种具体实现形式，也是现在的主流)

堆空间的基本结构

堆内存被通常分为下面三部分：

新生代内存(Young Generation)
老生代(Old Generation)
永久代(Permanent Generation)

JDK 8 版本之后 PermGen(永久) 已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是直接内存。

下图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区 S0 和 S1 都属于新生代，中间一层属于老年代，最下面一层属于永久代。

内存分配与回收原则

内存分配

大多数情况下，对象在新生代中Eden区分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC
大对象直接进入老年代：大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）
- G1垃圾回收器会根据-XX:G1HeapRegionSize参数设置的堆区域大小和-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent参数设置的阈值，来决定哪些对象会直接进入老年代。
- Parallel Scavenge垃圾回收器中，默认情况下，并没有一个固定的阈值(XX:ThresholdTolerance是动态调整的)来决定何时直接在老年代分配大对象。而是由虚拟机根据当前的堆内存情况和历史数据动态决定。
长期存活的对象将进入老年代：为了做到这一点，虚拟机给每个对象一个对象年龄（Age）计数器
- 大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配。如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活，并且能被 Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间（s0 或者 s1）中，并将对象年龄设为 1(Eden区->Survivor区后对象的初始年龄变为 1)。
- 对象在Survivor中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁，当它的年龄增加到一定程度，就会被晋升到老年代中。
- 一定程度由两个其中更小的值决定：
  1. Hotspot遍历所有对象时，按照年龄从小到大对其所占用的大小进行累积，当累积的某个年龄大小超过了survivor区的50%时
  2. 通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置晋升年龄
    
    这里说明一点:大部分人误解为默认都为15，但默认晋升年龄是分垃圾收集器的，例如CMS是6，

GC的分类

针对HotSpot VM的实现，它里面的GC其实准确分类只有两大种：

部分收集 (Partial GC)：
- 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只对新生代进行垃圾收集；
- 老年代收集（Old GC）：只对老年代进行垃圾收集。只有CMS的concurrent collection是这个模式
- 混合收集（Mixed GC）：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集。
整堆收集 (Full GC)：收集整个 Java 堆和方法区。空间分配担保

空间分配担保

空间分配担保是为了确保在Minor GC之前老年代本身还有容纳新生代所有对象的剩余空间。

在触发Minor GC之前，当统计数据说之前的Minor GC的平均晋升大小比目前old gen剩余空间大，则不会出发Minor GC而是触发full GC(这里面也包括了Minor GC，通常就不需要额外触发)

死亡判断方法

引用计数法(并非主流)

给对象中添加一个引用计数器：

每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
当引用失效，计数器就减 1；
任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。
这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题，会导致无法释放。

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点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的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“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；可达性分析法中不可达的对象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 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

哪些对象可以作为GC Roots

虚拟机栈(栈帧中的局部变量表)中引用的对象
本地方法栈(Native 方法)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
所有被同步锁持有的对象
JNI（Java Native Interface）引用的对象

引用类型总结

见我另一篇文章强、软、弱、虚引用

判断常量和类的回收

假如在字符串常量池中存在字符串”abc”，如果当前没有任何String对象引用该字符串常量的话，就说明常量”abc”就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，”abc”就会被系统清理出常量池了

类需要同时满足下面 3 个条件才能算是“无用的类”：

该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

垃圾收集算法

标记-清除算法

标记-清除（Mark-and-Sweep）算法分为“标记（Mark）”和“清除（Sweep）”阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。
它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。
这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：

效率问题：标记和清除两个过程效率都不高。
空间问题：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。

关于具体是标记可回收对象（不可达对象）还是不可回收对象（可达对象），众说纷纭,理解即可

复制算法

为了解决标记-清除算法的效率和内存碎片问题，复制（Copying）收集算法出现了。
它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。
但依然存在下面这些问题：

可用内存变小：可用内存缩小为原来的一半。
不适合老年代：如果存活对象数量比较大，复制性能会变得很差。

标记-整理算法

标记-整理（Mark-and-Compact）算法是根据老年代的特点提出的一种标记算法，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回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
由于多了整理这一步，因此效率也不高，适合老年代这种垃圾回收频率不是很高的场景

分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。
一般将 Java 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。
而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择标记-清除或标记-整理算法进行垃圾收集。

垃圾收集器

收集算法就像是内存回收的方法论，而垃圾回收器就是内存回收的实践
没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器

Serial 收集器

Serial（串行）收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。大家看名字就知道这个收集器是一个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（ “Stop The World” ），直到它收集结束。
新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。
优点:简单而高效–Serial 收集器由于没有线程交互的开销，自然可以获得很高的单线程收集效率。Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是个不错的选择

ParNew 收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为（控制参数、收集算法、回收策略等等）和 Serial 收集器完全一样。
新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。
它是许多运行在Server模式下的虚拟机的首要选择，除了Serial收集器外，只有它能与 CMS 收集器（真正意义上的并发收集器，后面会介绍到）配合工作。

并行和并发概念补充：
- 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。
- 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行，可能会交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集器运行在另一个 CPU 上

Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge收集器关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU）。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。

所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。

Parallel Scavenge收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量，如果对于收集器运作不太了解，手工优化存在困难的时候，使用 Parallel Scavenge 收集器配合自适应调节策略，把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。

新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

JDK1.8 默认使用的是 Parallel Scavenge + Parallel Old，如果指定了-XX:+UseParallelGC 参数，则默认指定了-XX:+UseParallelOldGC，可以使用-XX:-UseParallelOldGC 来禁用该功能

Serial Old 收集器

Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器。
它主要有两大用途：

一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用
另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。

Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。使用多线程和“标记-整理”算法。
在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 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,它非常符合在注重用户体验的应用上使用。
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。
CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤：

初始标记：短暂停顿，标记直接与 root 相连的对象（根对象）；
并发标记：同时开启 GC 和用户线程，用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域，所以 GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
重新标记：重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为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，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短
并发清除：开启用户线程，同时 GC 线程开始对未标记的区域做清扫。

优点：并发收集、低停顿
缺点：

对 CPU 资源敏感；
无法处理浮动垃圾；
它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。

CMS 垃圾回收器在 Java 9 中已经被标记为过时(deprecated)，并在 Java 14 中被移除

G1 收集器

G1 (Garbage-First) 是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征。
被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备以下特点：

并行与并发：G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个 CPU（CPU 或者 CPU 核心）来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作，G1 收集器仍然可以通过并发的方式让 java 程序继续执行。
分代收集：虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆，但是还是保留了分代的概念。
空间整合：与 CMS 的“标记-清除”算法不同，G1 从整体来看是基于“标记-整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“标记-复制”算法实现的。
可预测的停顿：这是 G1 相对于 CMS 的另一个大优势，降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点，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 M 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。

G1 收集器的运作大致分为以下几个步骤：

初始标记：短暂停顿（Stop-The-World，STW），标记从 GC Roots 可直接引用的对象，即标记所有直接可达的活跃对象
并发标记：与应用并发运行，标记所有可达对象。这一阶段可能持续较长时间，取决于堆的大小和对象的数量。
最终标记：短暂停顿（STW），处理并发标记阶段结束后残留的少量未处理的引用变更。
筛选回收：根据标记结果，选择回收价值高的区域，复制存活对象到新区域，回收旧区域内存。这一阶段包含一个或多个停顿（STW），具体取决于回收的复杂度。

G1 收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来) 。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了 G1 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率（把内存化整为零）。

从 JDK9 开始，G1 垃圾收集器成为了默认的垃圾收集器

ZGC 收集器

与 CMS、ParNew 和 G1 类似，ZGC 也采用标记-复制算法，不过 ZGC 对该算法做了重大改进。
ZGC 可以将暂停时间控制在几毫秒以内，且暂停时间不受堆内存大小的影响，出现 Stop The World 的情况会更少，但代价是牺牲了一些吞吐量。
ZGC 在 Java15 已经可以正式使用了，不过默认的垃圾回收器依然是 G1。你可以通过下面的参数启用 ZGC：