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一、JVM体系结构

1.1、什么是GC

GC可以理解为在追踪仍然使用的所有对象，并将其余对象标记为垃圾然后进行回收，这样的一个过程称之为GC，所有的GC系统可以从如下几个方面进行实现

1.GC判断策略（例如引用计数，对象可达）

2.GC收集算法（标记清除法，标记清除整理法，标记复制清除法，分带法）

3.GC收集器（例如Serial，Parallel，CMS，G1）

1.2、手动GC

什么是手动GC呢？即是手动为对象分配内存并回收内存

如下这是一个简单的手动内存管理C编写的示例

int send_request() { size_t n = read_size(); int *elements = malloc(n * sizeof(int));  if(read_elements(n, elements) < n) { // elements not freed! return -1; }  // …  free(elements) return 0;}

手动GC忘记释放内存是常有的事情。这样的话会直接导致内存泄露。

1.3、自动GC

什么是自动GC呢？

自动GC一般是由系统自动对内存进行管理

引用计数法

其中：

1、绿色云表示它们指向的对象仍然由程序员使用。

2、蓝色圆圈是内存中的活动对象，其中的数字表示其引用计数

3、灰色圆圈是未从任何明确使用的对象引用的对象

对于引用计数法，有一个很大的缺陷就是循环引用，例如：

其中红色对象实际上是应用程序不使用的垃圾。但是由于引用计数的限制，它们不符合垃圾回收原理，所以仍然存在内存中，导致内存泄露。

标记清除法

标记清除通常有两个步骤：

1.标记正在遍历所有可达的对象

这种方法就完美解决了对象之间循环依赖的问题，但是存在短时间的线程暂停。

二、JAVA中的GC分析

2.1、碎片与压缩

JVM在垃圾回收过程中可能会产生大量碎片，为了提供其读写性能，需要对碎片进行压缩

例如：

2.2、分代设想

我们知道垃圾收集要停止应用程序的运行，那么如果这个收集过程需要的时间很长，就会对应用程序产生很大的性能问题，如何解决这个问题呢？通过实验发现内存中的对象可以将其分为两大类：

1.存活时间较短（这样的对象比较大）

2.存活时间较长（这样的对象量比较小）

基于对如上问题的分析，通过了解科学家提出了分代回收思路（年轻代，老年代，永久代），同时缩小垃圾回收范围。

例如：

2.3、GC模式分析

垃圾收集事件(Garbage Collection events)通常分为：

1.Minor GC (小型GC)：年轻代GC事件

2.Major GC（大型GC）：老年代GC事件

3.Full GC (完全GC)：整个堆的GC事件

三、GC算法基础

3.1、标记可达对象

现在的GC算法基本都是要从标记可达对象开始（Marking Reachable Objects）

例如：

GC一般会设置一些特定对象为GC的根对象，例如：

1.栈中的变量

2.常量池中的引用

.....

GC基于根对象标记可访问对象（蓝色表示），对于不可达对象GC会认为是垃圾回收对象。

3.2、移除不可达对象

移除不可达对象（Removing Unused Objects）时会因GC算法的不同而不同，但是所有的GC操作一般都可以分为三组：清除（Sweep），压缩（Compact），复制（Copy）

 清除（Sweep）

压缩（Compact）

复制（Copy）

复制算法会基于标记清除压缩算法，创建新的内存空间用于存储幸存对象，同时可以复制与标记同时并发执行。这样可以较少GC时系统的暂停时间，提高系统性能

四、GC算法实现

现在对于JVM中的GC算法两大类：一类负责收集年轻代，一类负责收集老年代。假如没有显式指定垃圾回收算法，一般会采用系统平台默认算法，当然也可以自己指定，下面是JDK8中的一些垃圾回收算法应用组合如下：

以上四种GC组合是现阶段最突出的几种方式。

4.1、Serial GC

Serial GC(串行收集器)应用特点：

1.内部只使用一个线程去回收（不能充分利用CPU的多核特性），无法并行化

2.GC过程可能会产生较长的时间停顿

Serial GC（串行收集器）算法应用：

1.新生代复制算法（新生代存活对象较少）

2.老年代标记-压缩算法（老年代对象回收较少，容易产生碎片）

Serial GC(串行收集器)场景应用：

1.应用在具体几百兆字节大小的JVM

2.应用在知有单个CPU的环境中

Serial GC（串行收集器）应用参数实践：

java -xx:+UseSerialGC com.mypackages.MyExecutableClass

Serial GC模式分析：

1.Minor GC

2.Full GC

4.2、Parallel GC

并行收集器应用特点：

1.可利用cpu的多核特性，可并行化执行GC操作

2.在GC期间，所有cpu内核都在并行清理垃圾，所以暂停时间较短

Parallel GC (并行收集器)算法应用：

1.在年轻代使用 标记-复制（mark-copy）算法：

2.在老年代使用 标记清除整理（mark-sweep-compact）算法

Parallel GC（并行收集器）场景应用：

1.应用于多核处理器，执行并行收集提高吞吐量

2.GC操作仍需暂停应用程序，所以不适合低延迟场景

Parallel GC（并行收集器）模式分析：（事件分析）

1.Minor GC

2.Full GC

4.3、Concurrent Mark and Sweep (CMS)

即 标记-清除-垃圾收集器

CMS收集器特点：（避免在老年代垃圾收集时出现长时间卡顿）

1.使用空闲列表管理内存空间的回收，不对老年代进行整理

2.在标记-清除阶段大部分工作和应用线程一起并发执行。

CMS算法应用：

1.年轻代采用并行STW方式的mark-copy（标记-复制）算法

2.老年代主要使用并发 mark-sweep（标记-清除）算法。

CMS场景应用

1.应用于多核处理器，目标降低延迟，缩短停顿时间

2.cpu受限场景下，会与应用线程竞争cpu，吞吐量会减少

CMS关键阶段可以分为4个步骤：

1.初始标记 （CMS initial mark）

2.并发标记  ( CMS concurrent mark)

3.重新标记  ( CMS remark)

4.并发清除  (CMS concurrent sweep)

其中初始标记，重新标记这连个步骤仍然需要 "Stop The World" 初始标记仅仅只是标记GC Roots或yong gen能够直接关联到的对象，速度很快。

并发标记阶段就是进行GC Roots Tracin的过程，在此阶段，垃圾收集器遍历老年代，标记所有的存活对象，从前一阶段InitialMark找到的root根开始算起。

并发预清理（重新标记）阶段则是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致冰机产生变动的那一部分的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段长一些，但远比并发标记时间短。

在预清理阶段，这些脏对象会被统计出来，从他们可达对象也被标记下来，此阶段完成后，用标记的card也就会被清空。

并发清除此阶段与应用程序并发执行，不需要STW停顿。目的是删除未使用的对象，并回收他们占用的空间

由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行

4.4、G1-Gbage First

G1特点：

1.并行与并发，G1能充分利用多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停顿的时间，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。

2.分代收集:与其他收集器一样，分代概念在G1中依然得以保留。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，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。

3.空间整合:与CMS的“标记一清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记一 整理”算法实现的收集器，从局部(两个Region之间).上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。

4.可预测的停顿:这是G1相对于CMS的另一大优势，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，这几乎已经是实时Java(RTSJ)的垃圾收集器的特征了。

G1垃圾收集器执行步骤：
1.初始标记（STW）
2.并发标记
3.最终标记(STW)
4.筛选回收

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