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，后续讨论的“内存”分配回收也是指这一块，尤其需要注意。
GC主要回答了以下三个问题：
- 哪些内存需要回收？
- 什么时候回收？
- 如何回收？
哪些内存需要回收？
哪些内存需要回收是垃圾回收机制第一个要考虑的问题，所谓“要回收的垃圾”无非就是那些不可能再被任何途径使用的对象。那么如何找到这些对象？
1、引用计数法
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。例如以下例子：
/**
* 虚拟机参数：-verbose:gc
*/
public class ReferenceCountingGC
{
private Object instance = null;
private static final int _1MB = 1024 * 1024;
/** 这个成员属性唯一的作用就是占用一点内存 */
private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
public static void main(String[] args)
{
ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
objectA.instance = objectB;
objectB.instance = objectA;
objectA = null;
objectB = null;
System.gc();
}
在上面这段代码中，对象objA 和对象objB都有字段instance，赋值令objA.instance = objB;、objB.instance = objA;，除此之外，这两个对象再无引用。如果JVM采用引用计数算法来管理内存，这两个对象不可能再被访问，但是他们互相引用着对方，导致它们引用计数不为0，所以引用计数器无法通知GC收集器回收它们。
看下运行结果：
[GC 4417K->288K(61440K), 0.0013498 secs]
[Full GC 288K->194K(61440K), 0.0094790 secs]
而事实上执行这段代码，objA和objB是可以被回收的。
2.可达性分析算法
通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象时不可用的。
上图中，对象object 5、object 6、object 7虽然互有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。
在Java中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：
· 虚拟机栈中引用的对象
· 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（即Native方法）引用的对象
3.两次标记与 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。
方法区回收
很多人认为方法区没有垃圾回收，Java虚拟机规范中确实说过不要求，而且在方法区中进行垃圾收集的“性价比”较低：在堆中，尤其是新生代，常规应用进行一次垃圾收集可以回收70%~95%的空间，而方法区的效率远低于此。
但是HotSpot对方法区也是进行回收的，主要回收的是废弃常量和无用的类两部分。判断一个常量是否“废弃常量”比较简单，只要当前系统中没有任何一处引用该常量就好了，但是要判定一个类是否“无用的类”条件就要苛刻很多，类需要同时满足以下三个条件：
1、该类所有实例都已经被回收，也就是说Java堆中不存在该类的任何实例
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
在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载功能，以保证方法区不会溢出。
在JDK 1.8中，JVM摒弃了永久代，用元空间来作为方法区的实现，下面介绍的将是元空间的垃圾回收。元空间的内存管理由元空间虚拟机来完成。先前，对于类的元数据我们需要不同的垃圾回收器进行处理，现在只需要执行元空间虚拟机的C++代码即可完成。在元空间中，类和其元数据的生命周期和其对应的类加载器是相同的。换句话说，只要类加载器存活，其加载的类的元数据也是存活的，因而不会被回收掉。
我们从行文到现在提到的元空间稍微有点不严谨。准确的来说，每一个类加载器的存储区域都称作一个元空间，所有的元空间合在一起就是我们一直说的元空间。当一个类加载器被垃圾回收器标记为不再存活，其对应的元空间会被回收。在元空间的回收过程中没有重定位和压缩等操作。但是元空间内的元数据会进行扫描来确定Java引用。
4种引用状态
在JDK1.2之前，Java中引用的定义很传统：如果引用类型的数据中存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。这种定义很纯粹，但是太过于狭隘，一个对象只有被引用或者没被引用两种状态。我们希望描述这样一类对象：当内存空间还足够时，则能保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用4种，这4种引用强度依次减弱。
1、强引用
如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。
String[] arr = new String[]{"a", "b", "c"};2、软引用
如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。
//示例1
SoftReference<String[]> softBean = new SoftReference<String[]>(new String[]{"a", "b", "c"});
//示例2
ReferenceQueue<String[]> referenceQueue = new ReferenceQueue<String[]>();
SoftReference<String[]> softBean = new SoftReference<String[]>(new String[]{"a", "b", "c"}, referenceQueue);
3、弱引用
描述非必需对象。被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾回收之前，垃圾收集器工作之后，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。Java中的类WeakReference表示弱引用
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。
//示例1
WeakReference<String[]> weakBean = new WeakReference<String[]>(new String[]{"a", "b", "c"});
//示例2
ReferenceQueue<String[]> referenceQueue = new ReferenceQueue<String[]>();
WeakReference<String[]> softBean = new WeakReference<String[]>(new String[]{"a", "b", "c"}, referenceQueue);
4、虚引用
“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。
虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。
ReferenceQueue<String[]> referenceQueue = new ReferenceQueue<String[]>();
PhantomReference<String[]> referent = new PhantomReference<String>(new String[]{"a", "b", "c"}, referenceQueue);
HotSpot的算法实现
在HotSpot虚拟机上实现这些算法时，必须对算法的执行效率有严格的考量，才能保证虚拟机高效运行。
枚举根节点
从可达性分析中从GC Roots节点找引用链这个操作为例，可作为GC Roots的节点主要在全局性的引用（例如常量或类静态属性）与执行上下文（例如栈帧中的局部变量表）中，现在很多应用仅仅方法区就有数百兆，如果要逐个检查这里面的引用，那么必然会消耗很多时间。
1.GC停顿（”Stop The World”）
另外，可达性分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行——这里“一致性”的意思是指在整个分析期间整个执行系统看起来就像被冻结在某个时间点上，不可以出现分析过程中对象引用关系还在不断变化的情况，这是保证分析结果准确性的基础。这点是导致GC进行时必须停顿所有Java执行线程（Sun将这件事情称为“Stop The World”）的其中一个重要原因，即使是在号称（几乎）不会发生停顿的CMS收集器中，枚举根节点时也是必须要停顿的。
2.准确式GC与OopMap
由于目前的主流Java虚拟机使用的都是准确式GC（即使用准确式内存管理，虚拟机可用知道内存中某个位置的数据具体是什么类型），所以当执行系统停顿下来后，并不需要一个不漏地检查完所有执行上下文和全局的引用位置，虚拟机应当是有办法直接得知哪些地方存放着对象引用。在HotSpot的实现中，是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的的，在类加载完成的时候，HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这样，GC在扫描时就可以直接得知这些信息了。
安全点（Safepoint）——进行GC时程序停顿的位置
在OopMap的协助下，HotSpot可以快速且准确地完成GC Roots枚举，但一个很现实的问题随之而来：可能导致引用关系变化，或者说OopMap内容变化的指令非常多，如果为每一条指令都生成对应的OopMap，那将会需要大量的额外空间，这样GC的空间成本将会变得很高。
为此，HotSpot选择不为每条指令都生成OopMap，而是只在“特定的位置”记录这些信息，这些位置便被称为安全点（Safepoint）。也就是说，程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在到达安全点时才能暂停。Safepoint的选定既不能太少以致于让GC等待时间太长，也不能过于频繁以致于过分增大运行时的负荷。所以，安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的——因为每条指令执行的时间都非常短暂，程序不太可能因为指令流长度太长这个原因而过长时间运行，“长时间执行”的最明显特征就是指令序列复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生Safepoint。
对于Sefepoint，另一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程（这里不包括执行JNI调用的线程）都“跑”到最近的安全点上再停顿下来。这里有两种方案可供选择：
- 抢先式中断（Preemptive Suspension）: 抢先式中断不需要线程的执行代码主动去配合，在GC发生时，首先把所有线程全部中断，如果发现有线程中断的地方不在安全点上，就恢复线程，让它“跑”到安全点上。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程从而响应GC事件。
- 主动式中断（Voluntary Suspension）： 主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。
安全区域（Safe Region）
Safepoint机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint。但是，程序“不执行”的时候（如线程处于Sleep状态或Blocked状态），这时线程无法响应JVM的中断请求，“走到”安全的地方去中断挂起，这时候就需要安全区域（Safe Region）来解决。
安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。
在线程执行到Safe Region中的代码时，首先标识自己已经进入了Safe Region，那样，当在这段时间里JVM要发起GC时，就不用管标识自己为Safe Region状态的线程了。在线程要离开Safe Region时，它要检查系统是否已经完成了根节点枚举（或者是整个GC过程），如果完成了，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止。