摘要：
自动垃圾回收处理时Java语言的一大特点，了解垃圾收集处理，有助于合理给我们的Java程序选择合适的JVM参数，让我们的程序更快，更稳定的运行。
垃圾回收，本质来说就是释放系统内存资源。当我们的程序使用完内存资源以后，要及时把曾经占用过内存释放掉，以保证程序在运行的过程中有足够的内存资源使用。如果分配完内存资源后，却没有释放完全内存，就会引起内存泄漏。Java里面的垃圾回收，其实就是释放无用的对象所占有的内存。
关于垃圾收集，我们要弄清楚几个问题：
- 什么对象需要回收？
- 何时回收这些对象？
- 怎样回收这些对象？
垃圾回收算法与思想：
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引用计数法（Reference Counting）：
最早的垃圾收集方式，其实现很简单，对于一个对象X，只要有任何一个对象引用了X，X的引用计数器就+1，当引用失效的时候就-1，当引用计数器为0的时候，说明这个对象X就可能不被使用了。但是它有一个问题，它无法处理循环引用的情况：当两个垃圾对象相互引用的时候就无法被垃圾回收器识别，从而引起内存泄漏。Java垃圾回收器中，没有使用这种算法。如图：
2. 标记-清除算法（Mark-Sweep）
标记清除算法将垃圾回收分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。标记阶段通过根节点开始，标记所有从根节点可达的对象。因此未被标记的对象就是未被引用的对象，然后在清除阶段的时候，清除所有未被标记的对象。这种算法也有一个问题：就是会存在空间碎片，回收后的空间是不连续的。在后续分配大对象的时候，不连续的内存空间工作效率会低于连续的空间。
3. 复制算法（Copying）
它与标记清除算法相比，是一种高效的回收方法：将原有的内存空间分为两块，每次只使用一块空间，将已标记的对象复制到另一块空间，然后清除原来的空间里面的所有对象，交换内存角色，从而完成垃圾回收。它很好的解决了标记清除算法的空间碎片问题，但是它的代价缺点是将系统内存折半。在Java新生代串行垃圾回收器中，就是使用了该算法，因为在新生代中，垃圾对象通常会多于存活对象，复制算法的效果会比较好。
4. 标记-压缩算法（Mark-Compact）
在老年代中，大部分对象是存活对象，因此如果使用复制算法，需要复制的对象会比较多，成本会比较高。标记-压缩算法在标记清除算法的基础上多了压缩的过程。在标记完成后，将所有存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界外所有的空间。这样避免了碎片的产生，又不需要两块相同的内存空间，性价比会更高。
5. 增量算法（Incremental Collecting）
在垃圾回收过程中，程序会处于一种Stop the World状态，在这种状态下，程序所有线程会被挂起，暂停工作，等待垃圾回收完成。因此如果垃圾回收时间很长的时候，程序会暂停运行很长时间，这样会严重影响用户体验和系统稳定性。
增量算法的思想是让垃圾回收线程和程序线程交替执行，每次垃圾回收只收集一小片内存空间，接着切换到应用程序线程。反复执行，直到垃圾收集完成。这种方式能减少系统的停顿时间，但是线程切换和上下文转换的消耗，会使垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量下降。
6. 分代（Generational Collecting）
分代算法思想是结合上述算法的特点，根据不同对象的特点，分为多个内存区间，对不同内存区间对象的特点，给每个区间选择合适它们的算法，使用不同的回收算法，以提高垃圾回收效率。像对年轻代使用复制算法，对老年代使用标记压缩算法。即：内存分代，不同代使用不同算法。目前HotSpot虚拟机广泛使用这种算法。
垃圾收集器的类型
1、按线程数分：串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。串行垃圾回收器一次只用一个线程进行垃圾回收；并性垃圾回收器一次将开启多个线程同时进行垃圾回收，在并行能力较强的CPU上，并行垃圾回收器能缩短GC的停顿时间。
2、按工作模式分：可用分为并发垃圾回收器和独占式垃圾回收器。并发垃圾回收器可用和应用程序交替工作，独占式的垃圾回收处理器一旦运行，就要停止程序所有线程，直到垃圾回收完成。
3、按碎片处理方式：压缩式垃圾回收器和非垃圾回收器。收集完成后有无多存活对象进行压缩整理区分。
4、按内存区间：可分为新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。它们的工作区间不一样。
评价GC策略的指标
1、吞吐量：指程序花费的时间占系统总运行时间的比值。对于后台服务程序，对吞吐量关注比较多。
2、垃圾回收负载：指垃圾回收时间占系统运行时间的比值。
3、停顿时间：垃圾回收运行时，程序暂停的时间。对于用户应用程序，程序暂停的时间越短，用户体验会越好。
4、垃圾回收频率：垃圾回收器多久运行一次，一般来说时频率越低越好的，像增加堆内存大小，能降低频率，但是停顿时间增长
一般很难在所有指标上都达到最优，一般根据应用本身特点，尽量调整垃圾回收器配合程序工作。
常用垃圾收集器
新生代串行收集器：
1、最基本垃圾收集器，特点：单线程串行回收；独占式垃圾回收
2、缺点：垃圾回收过程，应用会暂停服务。会造成糟糕的用户体验
3、优点：实现简单，逻辑处理高效，没有线程切换的开销
4、使用场景：单CPU处理器，或者应用内存比较小的场合，性能会特别好
5、启用参数：-XX:+UseSerialGC ，可以指定新生代和老年代使用串行收集器
老年代串行收集器
1、使用标记-压缩算法、独占式垃圾回收
2、老年代的垃圾回收通常比年轻代回收时间更长，启动时可能会导致程序停顿几秒甚至更长时间
3、优点：同串行收集器优点
4、使用场景：可以和多种新生代垃圾回收器配合使用，同时可以做为CMS回收器的备用回收器
5、启用参数：-XX:+UseParNewGC :新生代使用并行垃圾收集器，老年代使用串行收集器
-XX:+UseParallelGC: 新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行垃圾收集器
并行收集器：
1、简单的把串行回收器多线程化。独占式
2、回收策略，算法， 参数和串行回收器一样
3、在并发能力比较强的CPU上，停顿时间要短于串行收集器；但是在并发能力弱的CPU上，效果不一定比串行收集器好，甚至由于多线程压力，实际表现可能比串行回收器还要差。
4、启用参数：-XX:+UseParNewGC:新生代使用并行收集器，老年代使用串行回收器
-XX:+UseConcMarkSweepGC: 新生代使用并行收集器，老年代使用CMS
-XX:ParallelGCThreads:并行的线程数，一般最好根CPU数量相当，避免过多的线程数，影响垃圾收集性能
新生代并行回收（Parallel Scavenge）收集器（注意跟并行收集器区分开）
1、使用复制算法，重点关注系统吞吐量
2、启用参数：-XX:+UseParallelGC：新生代是哦那个并行回收收集器，老年代使用串行收集器
-XX:+UseParallelOldGC:新生代老年代都是用并行回收收集器
3、通过两个参数控制系统吞吐量：
1）-XX:MaxGCPauseMillis: 设置最大垃圾收集停顿时间，收集器在工作时会调整Java堆大小和其他参数，尽可能把停顿时间控制在这个范围内。如果为减少停顿时间而把这个值调整得很小，JVM可能会使用一个较小的堆，这样会导致频繁GC，从而增加了垃圾回收的总时间，降低了总吞吐量。
2）-XX:GCTimeRatio:设置吞吐量大小，0-100之间。设置为n，这时系统则会用不超过1/（1+n）时间来进行垃圾收集。
4、与并行收集器其他不同点：此收集器支持自适应GC调整策略。-XX:+UseAdaptiveSizePolicy打开，会自动调整各代（新生代，老年代）大小，比例来达到堆大小、吞吐量和停顿时间的平衡点。这时候我们只需要指定最大堆，目标吞吐量和停顿时间就可以了。
老年代并行回收收集器
1、同上新生代并行回收器，对老年代启动。
2、启动参数：-XX:+UseParallelOldGC： 新生代老年代都是用并行回收收集器
-XX:ParallelGCThreads:设置并行的线程数，
CMS收集器（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）
1、关注停顿时间、使用标记清除法，多线程并行回收，非独占式
2、工作过程：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除和并发重置；（其中初始标记和重新标记是独占式的，其他过程与用户线程一起执行）
3、三种标记都是标记需要回收的对象，标记完后正式回收对象；并发重置是指垃圾回收完后，重新初始化CMS数据结构和数据，为下一次垃圾回收做准备。
4、由于与应用线程并发执行，存在CPU相互抢占，CMS期间对应用程序吞吐量有一定影响，如果CPU资源紧张的时候，受CMS线程影响，程序的性能可能会很糟糕。
5、因为不是独占式，在CMS回收过程，程序还是会不断产生新的垃圾，这些新生成的垃圾在回收过程式无法清除的。因此在CMS回收过程，要确保程序还有内存可用，这导致了CMS收集器不会在堆内存饱和的时候才去垃圾回收，在一个特定阀值的时候就会触发CMS垃圾回收，确保程序还有内存可用。阀值可通过：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction指定，默认式68，即当老年代空间使用率到达68的时候开始执行一次CMS回收。
6、如果在执行过程出现内存不足的情况，JVM会启用老年代串行收集器来进行垃圾回收（上文说到的用做CMS备用收集器）。因此，根据应用程序特点，可以对该参数进行调优，当内存增长比较满的时候，设置一个大的值可用减少老年代回收次数，这样能较为明显的改善程序性能。
7、因为标记-清除算法会产生空间碎片，因此，当内存空间比较大的时候，仍有可能被迫执行一次垃圾回收，来换取一片较大的内存空间，这种现象对程序十分不利，对此，CMS提供了-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 来指定多少次CMS后执行一次内存压缩，以清除空间碎片。
G1收集器（Garbage First）
1、最新的垃圾收集器，其目标式作为一款服务端垃圾收集器，在吞吐量和听停顿时间的控制上要求优于CMS回收器
2、使用标记-压缩算法，因此不会有空间碎片，因此没有必要完成清除后，进行独占式的压缩操作，能进行精确的停顿控制。
3、优势：在可预测的停顿时间，能够尽可能快地在指定时间内完成回收任务。（jstat可以查看垃圾回收情况）
3、启用参数： -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis = n
-XX:GCPauseIntervalMillis = m 指定在m毫秒内，停顿时间不超过n毫秒
总结：
垃圾收集器用程序运行时回收无用的对象，以释放内存，确保程序有分配的内存得以完全释放，防止内存泄漏。我们应当学习垃圾收集器的原理，根据我们应用程序的需要合理的调整我们的垃圾处理策略，选择合适的垃圾处理器，来确保程序的正常运行和提高程序性能。（下次总结一下常见的调优参数，以及调优技巧）