GC全称Garbage Collection，它是Java语言的垃圾回收机制。在Java语言中，不需要程序员去专门编写内存回收和垃圾清除的代码，JVM会自动管理内存和清除垃圾。因此，减少了程序员对垃圾回收的关注度并降低了开发的难度，同时也减少了内存泄露和溢出引发的问题。那Java的垃圾回收机制已经“自动化”了，我们为什么还要了解GC和内存分配呢？原因是：如何我遇到内存溢出、内存泄漏和在高并发系统中GC成为系统运行瓶颈时，我们可以找出根本原因，从而进行优化。下面，我们先来学习一下GC机制的基础知识：

GC（Garbage Collection）是垃圾收集，Java提供的GC功能可以自动监测对象是否超过作用域，从而达到自动回收内存的目的。Java语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。垃圾回收可以有效的防止内存泄露，有效的使用可以使用的内存。

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

优点：执行速度快。

缺点：无法检测堆中对象的相互引用（堆栈不存在引用的堆中对象），此时计数器不为0，不能被检测回收。

一系列的GCRoots（垃圾回收根节点）对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GCRoots没有任何引用链时，则证明此对象是不可用的。

GCRoots对象（四种）：

JVM栈中引用的对象（栈帧中的本地变量表）；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；本地方法栈中引用的对象。

对象至少要经历两次标记过程才能被回收。对象在进行可达性分析后，如果没有与GC Roots相连接的引用链，将会被第一次标记并且进行一次筛选（筛选条件：对象是否有必要执行finalize()方法）；如果对象有必要执行finalize()方法，会将对象放置到F-Queue队列之中，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记；如果对象在finalize()中成功拯救自己，将从队列移除，反之，它基本上就真的被回收了。

首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象

缺点：效率不高，清除之后会产生大量不连续的内存碎片，分配较大对象时，无法找到连续内存而提前触发另一次GC。

将可用内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当内存用完时，将存活着对象复制到另一块，然后再清除使用过内存空间。

优点：效率高。

缺点：内存缩小了一半，浪费内存。

场景：商业JVM都采用该算法回收新生代，，但不是1:1来划分内存空间，而是将内存分为一块Eden空间和两块Survivor空间（8:1:1）。

标记过程与“标记-清除”算法一样，但后续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。

场景：老年代内存回收

商业JVM的GC都采用该算法，该算法把Java堆分为新生代和老年代，新生代用复制算法，老年代用“标记—清理”或“标记—整理”算法。

概念：根据对象存活周期将内存划分为新生代、老年代、永久代。然后根据年代特点采用合适的GC算法。

新生代的GC收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

老年代的GC收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS

Tips：

新生代和老年代GC收集器联合使用完成GC，存在连线可以搭配使用。

概念：将整个堆空间划分为连续的不同小区间，每个小区间独立使用，独立回收，好处：可以控制一次回收多少个小区间，根据目标停顿时间,，每次合理地回收若干个小区间。

分区GC收集器（新生代和老年代）：G1

最基本的收集器（JDK 1.3.1之前唯一的选择），它是一个单线程的收集器，它进行GC时，必须暂停其他所有的工作线程（Stop The World）。

优点：简单而高效、没有线程交互的开销，Client模式下新生代常用收集器

缺点：用户停顿感体验差（Stop The World）

Serial收集器的多线程版本，只有ParNew能与CMS配合工作。

优点：多CPU环境收集效率比Serial强, Server模式下新生代首先收集器

缺点：用户停顿感体验差（Stop The World）

并行的多线程收集器，可控制吞吐量的收集器。

优点：精确控制吞吐量，减少GC停顿时间

缺点：缩短GC停顿时间时，它会牺牲吞吐量和新生代空间（10s收集一次、每次停顿100ms，现在5s收集一次、每次停顿70ms）

Serial的老年代版本，一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法

作用：它的意义是在Client模式下使用老年代收集器。如果在Server模式下，一种用途：它与Parallel Scavenge搭配使用（JDK 1.5以及之前），另一种用途：CMS收集器的后备预案（并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用）。

Parallel Scavenge的老年代版本，使用“标记-整理”算法，弥补了之前Parallel Scavenge + Serial Old的尴尬组合。

并发的“标记-清理”收集器，它是一款以获取最短回收停顿时间为目标的收集器, 重视服务的响应速度。

优点：并发收集，低停顿

缺点：CPU资源敏感（CUP资源少，CMS会影响程序执行速度）、无法处理浮动垃圾（CMS并发清理阶段用户线程还在运行，这段时间就可能产生新的垃圾叫做浮动垃圾）、标记-清除算法会产生大量空间碎片（大对象难找到连续的空间, 导致触发Full GC）

运行步骤：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除

Tips：CMS运行期间预留内存无法满足程序需要，就会出现“concurrent Mode Failure”失败，这是JVM会临时启动Serial Old来重新进行老年代GC。

概念：一款面向服务端应用的垃圾收集器。

特点：并行与并发、分代收集（收集新生代和老年代）、空间整合（整体基于“标记—整理”算法，局部（两个Region之间）基于“复制”算法）、可预测的停顿。

优点：标记-整理算法，不产生内存碎片；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基于SATB的并发标记，包括4个阶段：初始标记、并发标记、最终标记、筛选收集。

MinorGC发生（清理）在Eden区；Young GC发生（清理）在Eden、S0、S1区；Major GC发生（清理）在Old区；Full GC 发生（清理）整个堆空间。

Minor GC采用复制算法，Minor GC发生在新生代，整体过程：复制—>清空—>互换。

i. Eden、ServicorFrom复制到ServicorTo，年龄+1；（如果年龄到达老年标准，赋值到老年代；如果ServicorTo内存不够，通过内存担保赋值到老年代）

ii. 清空Eden和ServicorFrom；

iii. ServicorTo与ServicorFrom互换，原ServicorTo成为下一次GC时的 ServicorFrom（即To，From是逻辑概念，S0，S1是物理概念）。

分配担保：如果另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

商业JVM的新生代空间划分比例：Eden、Survivor0、Survivor1（8:1:1）、（-XX:SurvivorRatio=8）

HotSpot根据对象存活周期将内存分块，它把Java堆分为新生代（Eden）和老年代（Survivor），然后根据各个年代的特点采用合适的收集算法。在新生代中，每次GC时都有大批对象死去，只有少量存活，所以选用复制算法（只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集）。在老年代中，对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，所以使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来回收。

并不收集整个GC堆的模式

Young GC：只收集young gen的GC

Old GC：只收集old gen的GC。只有CMS的concurrent collection是这个模式

Mixed GC：收集整个young gen以及部分old gen的GC。只有G1有这个模式

收集整个堆，包括young gen、old gen、perm gen（如果存在的话）等所有部分的模式。

Eden区分配满的时候触发，Young GC时，有部分存活对象会晋升到old gen，所以young GC后old gen的占用量通常会有所升高。

i. 老年代没有足够的空间时，发生Full GC；

ii. 准备要触发Young GC时，统计要晋升old gen的对象大于目前old gen剩余的空间时，则不会触发Young GC，而是触发Full GC（除了CMS收集器之外，Full GC至少伴随一次Young GC）；

iii. 如果有永久代的话，在永久代需要分配空间但已经没有足够空间时，也要触发一次Full GC（JDK1.8后，没有永久代）；

iv. System.gc()默认触发Full GC；

v. heap dump（堆转储文件，是一个Java进程在某个时间点上的内存快照）带GC默认触发Full GC；

vi. CMS GC时出现Concurrent Mode Failure会导致一次Full GC的产生。

先导概念：

JVM给每个对象定义了一个对象年龄（age）计数器；对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄增加一岁。

i. 新生代的GC收集器为Serial或ParNew，设置-XX:PretenureSizeThreshold参数（设置“大对象”的大小），当对象大于这个值时，被认为是大对象，直接进入老年代；       

ii. Young GC后，如果对象太大无法进入Survivor区，则会通过分配担保机制进入老年代；

iii. 对象的年龄增加到一定程度（默认15岁，或设置-XX:MaxTenuringThreshold参数），就将会被晋升到老年代中；

iv. 在Survivor区中所有相同年龄对象大小的总和大于Survivor空间的一半时，大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等待年龄参数设置的值。

HotSpot虚拟机的Full GC实现中，默认新生代里所有活的对象都要晋升到老年代，实在晋升不了才会留在新生代。如果Full GC的时候，老年代里的对象几乎没有死掉的，而新生代又要晋升活对象上来，那么Full GC结束后老年代的使用量自然就上升了。

GC进行时必须暂停所有Java执行线程，称为Stop  The  World。

原因：可达性分析过程中不允许对象的引用关系还在变化，否则无法保证可达性分析的准确性。GC只会在“安全点”和“安全区”内开始。

概念：记录了栈上本地变量到堆上对象的引用关系。

作用：避免全栈扫描，加快枚举根节点的速度；实现HotSpot JVM的准确式GC。

概念： JVM在一些特定的位置记录OopMap信息，这些位置称为“安全点”，运行的程序（获得CUP时间的线程）只有在“安全点”才能GC。

抢先式中断：不需要线程的执行代码主动配合，GC发生时，中断所有线程，如果发现有线程不再“安全点”上，就恢复线程，让它“跑”到“安全点”上（几乎不用这种方案）。

主动式中断：设置一个标志，每个线程主动轮询这个标志，发现中断标志为真就挂起自己。轮询标志的地方：它与“安全点”重合，然后再加上创建对象分配内存的地方（HotSpot  JVM使用）。

概念：在一段代码片段中，引用关系不会发生变化，在该区域GC都是安全的，它可以理解成是“安全点”的拓展。

作用：解决没有分配CPU时间的线程，无法响应JVM的中断请求，“跑”到“安全点”去挂起的问题。

使用：代码执行到“安全区”时，首先标识自己进入了“安全区”，在这段时间里发起GC，就不用管标识自己为“安全区”的线程，在线程离开安全区域时，会检查是否正在执行GC，如果执行GC就等完成后再离开安全区域。