一、什么是垃圾
内存中已经不再被使用的内存空间就是垃圾。而对于虚拟机而言，主要回收的就是堆中产生的垃圾，虚拟机堆的内存主要是通过new生成一个对象的时候，就会在堆中为其分配内存空间，但是当这块空间没有被使用或者引用指向这块内存空间了，这块内存空间就被称为垃圾。
二、如何判定垃圾
一、引用计数法
算法实现：
1、给对象添加一个引用计数器
2、每当有一个地方引用该对象时，计数器的值就加1
3、每当有一个地方引用失效时，计数器的值就减1
4、任何时刻计数器的值为0的对象就是不可能再被使用的
优点：实现简单、效率高
缺点：不能解决对象间循环引用的问题
二、可达性分析算法
可达性算法（根搜索算法）
算法实现
可达性算法从特定的对象集合（即GC Roots Set）出发，逐一判断对象是否可达。具体来说，分成两个阶段：首先枚举所有GC Roots 对象，然后进行可达性分析。
1、有一系列名为GC Roots的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径被称为“引用链”
2、如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连接时，说明这个对象是不可用的
3、如果一个对象到GC Roots有引用链相连接时，说明这个对象是可用的
GC Root包含以下对象
1、在虚拟机栈中引用的对象
2、在本地方法栈中JNI（即通常说的native方法）引用的对象
3、在方法区中类静态属性引用的对象
4、在方法区中常量引用的对象，比如字符串常量池（String Table）里的引用
5、所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象
6、java虚拟机内部的引用（比如基本数据类型对应的Class对象，常驻的异常对象NullPointExcepiton、OutOfMemoryError等），系统类加载器
OopMap
可以看到GC Root包括挺多类型的，具体的对象数目就更多了。如果在GC时先暂停了用户线程再开始逐个枚举GCRoots对象，肯定需要花费很多时间。有什么方法能够快速枚举GCRoots对象呢？jvm采用OopMap这个数据结构来保存GCRoots对象，在GC时直接通过OopMap就可以得到GCRoots对象了。
那么在什么时候保存GCRoots对象到OopMap呢？jvm引入了安全点概念。当线程运行到安全点时，会保存GCRoots对象到OopMap。进行GC时，GC线程会等所有的用户线程都到达最近的安全点后，再开始进行GC回收，因为只有线程到达安全点，才能保证OopMap是最新的，不会出错。
那么怎么让所有的用户线程都到达最近的安全点呢？有两种方法，抢断式中断和主动式中断。
抢断式中断是先让所有的用户线程全部暂停，如果发现某个线程没有到达安全点，就让它重新运行一段时间再中断，直到它到达安全点为止。
主动式中断是先设置一个标志位，线程运行时不断轮询这个标志位，如果发现标志位为真，就运行到最近的安全点，然后中断挂起。现在几乎所有的jvm都采用主动式中断的方式来中断线程，执行GC操作。
这里面有一种特殊情况，如果某个线程原来就处于睡眠或者阻塞状态怎么办？如果线程原来就处于这种“不运行”的状态，那肯定不能自己主动进行中断了。让GC线程等待“不运行”的线程重新运行，然后再采用主动式中断，从时间上是不可控的。那么还有什么方法吗？jvm引入了安全区的概论。
安全区是指在一段代码片段之中，引用关系是不变的。因此，在这个区域中任意地开始垃圾回收都是安全的。当用户线程执行到安全区里面的代码时，会首先标识自己已经进入了安全区域。如果线程要离开安全区时，需要检查是否已经完成了GC。如果完成了，线程可以继续执行，如果没有完成，线程就需要一直等待，直到收到可以离开安全区的信号为止。
通过暂停所有的用户线程，安全点和安全区，jvm保证了在进行GC时，引用关系是不变的，可以获取到最新的OopMap。获取到最新的OopMap后，可以得到所有GC Roots对象的集合，然后就可以进行可达性分析了。
三、引用分类
1、强引用（“Strong” Reference），就是我们最常见的普通对象引用，只要还有强引用指向一个对象，就能表明对象还“活着”，垃圾收集器不会碰这种对象。对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为 null，就是可以被垃圾收集的了，当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。
2、软引用（SoftReference），是一种相对强引用弱化一些的引用，可以让对象豁免一些垃圾收集，只有当 JVM 认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象。JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前，清理软引用指向的对象。软引用通常用来实现内存敏感的缓存，如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。
3、弱引用（WeakReference）并不能使对象豁免垃圾收集，仅仅是提供一种访问在弱引用状态下对象的途径。这就可以用来构建一种没有特定约束的关系，比如，维护一种非强制性的映射关系，如果试图获取时对象还在，就使用它，否则重现实例化。它同样是很多缓存实现的选择。对于幻象引用，有时候也翻译成虚引用，你不能通过它访问对象。幻象引用仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后，做某些事情的机制
4、幻象引用，有时候也翻译成虚引用，你不能通过它访问对象。幻象引用仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后，做某些事情的机制
四、垃圾回收算法
1、标记-整理
标记
整理
执行步骤：
标记：对需要回收的进行标记
整理：让存活的对象，向内存的一端移动，然后直接清理掉没有用的内存。
2、复制
image.png
复制后
3、标记清除
标记
清除
执行步骤：
标记：遍历内存区域，对需要回收的对象打上标记。
清除：再次遍历内存，对已经标记过的内存进行回收。
优点
相对于标记–清理算法解决了内存的碎片化问题。
效率更高（清理内存时，记住首尾地址，一次性抹掉）。
缺点：
效率问题；遍历了两次内存空间（第一次标记，第二次清除）。
空间问题：容易产生大量内存碎片，当再需要一块比较大的内存时，无法找到一块满足要求的，因而不得不再次出发GC。
五、垃圾收集器
Serial GC
它是最古老的垃圾收集器，“Serial”体现在其收集工作是单线程的，并且在进行垃圾收集过程中，会进入臭名昭著的“Stop-The-World”状态。当然，其单线程设计也意味着精简的 GC 实现，无需维护复杂的数据结构，初始化也简单，所以一直是 Client 模式下 JVM 的默认选项。从年代的角度，通常将其老年代实现单独称作 Serial Old，它采用了标记 - 整理（Mark-Compact）算法，区别于新生代的复制算法。
Serial/Serial Old串行收集器运行图
Serial GC 的对应 JVM 参数是：
-XX:+UseSerialGC
ParNew GC
是个新生代 GC 实现，它实际是 Serial GC 的多线程版本，最常见的应用场景是配合老年代的 CMS GC 工作.是server模式下首选的新生代收集器
ParNew并行收集器运行示意图
对应参数如下：
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
CMS（Concurrent Mark Sweep） GC
基于标记 - 清除（Mark-Sweep）算法，设计目标是尽量减少停顿时间，这一点对于 Web 等反应时间敏感的应用非常重要，一直到今天，仍然有很多系统使用 CMS GC。但是，CMS 采用的标记 - 清除算法，存在着内存碎片化问题，所以难以避免在长时间运行等情况下发生 full GC，导致恶劣的停顿。另外，既然强调了并发（Concurrent），CMS 会占用更多 CPU 资源，并和用户线程争抢。
运行示意图
Parallel GC
在早期 JDK 8 等版本中，它是 server 模式 JVM 的默认 GC 选择，也被称作是吞吐量优先的 GC。它的算法和 Serial GC 比较相似，尽管实现要复杂的多，其特点是新生代和老年代 GC 都是并行进行的，在常见的服务器环境中更加高效。开启选项是
C1
这是一种兼顾吞吐量和停顿时间的 GC 实现，是 Oracle JDK 9 以后的默认 GC 选项。G1 可以直观的设定停顿时间的目标，相比于 CMS GC，G1 未必能做到 CMS 在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。G1 GC 仍然存在着年代的概念，但是其内存结构并不是简单的条带式划分，而是类似棋盘的一个个 region。Region 之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记 - 整理（Mark-Compact）算法，可以有效地避免内存碎片，尤其是当 Java 堆非常大的时候，G1 的优势更加明显。G1 吞吐量和停顿表现都非常不错，并且仍然在不断地完善，与此同时 CMS 已经在 JDK 9 中被标记为废弃（deprecated）
运行示意图
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