参考资料：详解CMS垃圾回收机制(强烈推荐)
一：为什么需要垃圾回收？
jvm把内存管理权从开发人员收回，开发人员只需要创建数据对象即可，内存的分配和回收都由jvm自动完成。
程序只管创建对象，不管对象的回收，内存最终会被耗尽。
二：怎么判断对象为垃圾？
如果要实现垃圾回收，首先必须能判断哪些对象是垃圾。
对象不再被使用就认为是垃圾。jvm自动回收垃圾，但它如何才能知道一个对象是否不再被使用？
常见的策略有如下两种：引用计数器 、可达性检测。
2.1 引用计数器：
即如果一个对象被外部引用则计数器加 1, 反之减 1。如果计数器为0,则说明当前对外象没有被任何外部使用，则认为是垃圾。
优点：实现简单
缺点：无法解决循环引用的问题；如：对象Ａ，Ｂ相互引用，除此再没有被其它对象引用，那么它们两个都是垃圾，但计数器却均为1,而无法回收。
注意事项：引用计数器只是一个理论方案，从来没有一个主流的jvm使用这种方式
2.2 可达性检测
引用计数器无法解决循环引用的问题，因此更好的办法是通过可达性分析。jvm中的任何非垃圾对象通过引用链向上追溯,都可以到达一些根对象（法方区的静态变量、常量、栈中的变量），这些根对象都是存活的对象，那么被活对象引用的对象很有可能会继续使用，因此反过来，从根对象向下追溯到的对象都可以认为是存活的对象。这种从根对象追溯的方法称为可达性分析。
如下：从根对象向下追溯，红色标记的对象是不可达的，因此它们就是垃圾，会被GC回收。
2.3 根对象种类
可以做为GC root（根对象）的对象有以下几种：
- 虚拟机栈（栈帧中变量引用的对象）
- 方法区中静态属性(static 属性)
- 方法区中的常量(static final)，（jdk8及以上，为元数据区）
- 本地方法栈中引用的对象
三：垃圾回收算法
标记出哪些对象是垃圾后，就需要对这些垃圾对象进行回收。
常用的回收算法有：标记－清除、复制、标记－整理
3.1 标记－清除
通过标记、清除两个阶段回收垃圾对象。因为标记的是存活对象，清除的是非存活对象，所以需要两个阶段：先标记，再遍历所有对象，过滤出非存活对象。
如下图：（绿色－存活对象；红色－垃圾；白色－空闲）
首先，通过可达性分析，标记出存活的对象（绿色块）
其次，遍历堆中所有对象，把非存活的对象全部清空。
优点：实现简单，并且是其它算法的基础
缺点：Ａ：标记效率不高，清除算法也不高(遍历所有对象进行清除).
Ｂ：产生大量内存碎片
3.2 复制算法
为了解决标记－清除 算法的效率问题，使用复制算法。
复制算法需要一块同样大小额外的内存做为中转。
因为复制的是存活对象，不需再次遍历。
步骤：通过可达性分析，标记出存活对象，并同时把存活对象复制到另一块对等内存。
当所有存活对象都复制完后，直接清空原内存块（不需要遍历，直接移动堆顶指针即可）。
优点： 不需要两阶段，存活对象少时效率高。
没有内存碎片
缺点：需要额片内存，同一时间总有一块内存处于备用状态－浪费内存。
存活对象很多时效率也不高（主要是因为对象复制代价高昂）
使用场景：存活对象多，内存紧张的场景。
复制算法变种：
复制算法最大的缺点是需要一个相同大小的内存块，为了减少内存浪费，复制算法还有一种变种。
如果对象中存活的很少，就不需要一个相同大小的额外内存块，而只需要两个小内存块，交替做为中转站就可以完美解决。
前提：存活的对象很少，IBM研究表明新生代90%以上甚至98%的对象朝生夕死。
步骤：
Ａ：设置三块内存，第一块大内存块，第二第三为两个相等的小内存块
Ｂ：创建对象分配置在大内存块和 两小内存块中的任一个，另外一小内存块保持空闲备用。
Ｃ：回收：通过可达性分析，标记出第一块和其中使用的小块内存中存活对象，同时把存活对象复制到备用的另一块小内存中
Ｄ：清空大内存块和被回收的小块内存。此时：大内存被清空，其中两块小内存：一块清空，一块保存了上次存活的数
Ｅ：然后交替使用两块小内存块做为清空大内存和另一块小内存的中转。
优点：减少了内存浪费，同时又保持了复制算法的优点。
缺点：未完全杜绝内存浪费，同时大数据量时，效率低；存活对象数量占比较大时，小内存块无法做为中转站。
使用场景：在存活对象较少，追求高效率，内存无碎片的场景。
3.3 标记－整理
标记清除算法效率低，碎片严重； 复制算法存活对象少时效率高，无碎片，但内存浪费；为了折中两种算法的优点，有人提供另一种算法：标记－整理算法。
步骤：
Ａ：根据可达性分析，标记出所有存活的对象
Ｂ：遍历所有对象，过滤出非存活的对象，并把这些对象一个一个，从内存的某一个角落顺序排列。
优点：没有内存浪费，无碎片
缺点：效率最低，小于标记清除（需要两个阶段<标记，移动>；移动类似复制，代价高于直接清除，存活对象越多，移动代价越大）
四：分代算法
准确的讲，分代算法不是一种回收算法，它只是按对象生命周期和特点不同，合理选用以上三种回收算法的手段。
内存模型中，我们大概了解了堆内存的分代结构如下：
为什么需要分代？
因为不同的对象生命周期不同，有的很长（如：session），有的很短（如：方法中的变更）；如果不分代，每次可达性分析标记时，都要遍历暂时不会回收的老对象，当老对象越来越多时，重复对老对象的无用遍利检查，会严重影响回收性能。
如果把对象按年龄隔离，分成新生代和老年代，老年代保存生命周期长的对象，新生代保存新创建的对象，那么老年代就可以长时间不回收，而新年代大部分是朝生夕死，就可以频繁回收。即保证了效率，又保证了新生代内存的及时回收。
总结：新生代：时间换空间（频繁回收：由于存活的数据量少，频繁回收的代价也可以接受）
老年代：空间换时间（需要时回收：存活的多，频繁回收严重影响性能；有些对象可能已经变垃圾了，但仍然存在老年代中，等到新生代不够或其它条件时，才回收老年代）
如何区分新老对象？
这个与垃圾回收器实现有关，对应回收器有相关的配置。
主要有几种情况：
- 大对象直接进行老年代
- 年龄达到一定阀值（每经历过一次回收还活着：年龄加1, 默认阀值为：15，可配置)
- survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和超过survivor空间的一半时，即使没达到年龄阀值
五：垃圾回收器
垃圾回收算法只是垃圾回收的理论基础，垃圾回收器是对垃圾回算法的实现。
垃圾回收器关注三个方法：Ａ：垃圾回收算法选择 Ｂ：串行和并行(并发)的选择 Ｃ：新老代的选择
下面先了解一下jvm中的垃圾回收器种类：
垃圾回收器根据新老代不同区分，一部分只用于新生代回收（Serial、ParNew、Parallel），一部分只用于老年代(Serial old、CMS、Parallel old）； G1是一个特殊的存在，后续再讲。
下面我一个一个分析各自的原理及特点，然后分析他们为什么只能使用新生代或老年代；以及实战中如何选择。
5.1 Serial
serial/serial old 收集示意图（图片来自：JVM系列之垃圾回收（二））
- 使用于：新生代
- 垃圾回收算法：复制算法
- 串行/并行/并发：串行，单线程
- stw：是
5.2 ParNew
（图片来自：JVM系列之垃圾回收（二））
- 分代：用于新生代
- 垃圾回收算法：复制算法
- 串行/并行/并发：并发，多线程
- stw：是
5.3 Parallel Scavenge
- 分代：用于新生代
- 垃圾回收算法：复制算法
- 串行/并行/并发：并行，多线程
- stw：是
Parallel Scavenge 与 ParNew一样也是多线程，但是与ParNew不同的是，它关注的点是垃圾回收的吞吐量（用户线程时间/(用户线程时间 + 垃圾回收时间)），也就是：它期望尽可能压榨cpu，多用于业务捃，它关注的是整体，而不是一次。
如：假如每分钟执行1000次垃圾回收，每次的停顿时间很短，但1000次总停顿时间要高于 每分种100次的时间。那么100次垃圾回收就是Parallel Scavenge期望的。
5.4 Serial old
- 分代：用于老年代
- 垃圾回收算法：标记－整理算法
- 串行/并行/并发：串行，单线程
- stw：是
由于老年代，活的多，死的少，且最好没有碎片：标记整理算法；
跟Serial收集器一样，当前收集器也是单线程，因此也不适合多核时代的服务器上，是默认的client模式，同时做cms收集器失败时的备选收集器（因为cms是并发的，如果并发失败，就不要并发了，所以使用了serial Old）。
5.5 CMS
（图片来自：JVM系列之垃圾回收（二））
- 分代：用于老年代
- 垃圾回收算法：标记－清除算法，有碎片
- 串行/并行/并发：多线程
- stw：初始标记stw; 重新标记stw
CMS是首个并发收集器，垃圾回假步骤中的部分阶段可以与用户线程并发执行。
垃圾回收器的最终目标就是：减少垃圾回收对用户线程的影响（停顿频率小、停顿时间少）。
为此，CMS把垃圾回收分为四个阶段，把不需要停顿的阶段与用户线程一起执行：
- 初始标记
- 并发标记
- 重新标记
- 并发清理
5.6 Parallel old
（图片来自：JVM系列之垃圾回收（二））
- 分代：用于老年代
- 垃圾回收算法：标记－整理算法
- 串行/并行/并发：多线程
- stw：是
六：GC日志
七：jvm配置