垃圾收集器是 JVM 內存管理的執行引擎，負責自動回收無用的對象內存。其設計核心是?權衡：主要是吞吐量和停頓時間之間的權衡。沒有“最好”的收集器，只有“最適合”特定場景的收集器。
一、核心基礎：分代收集模型
主流 HotSpot JVM 采用分代模型，將堆內存劃分為不同區域，基于對象存活周期的“弱分代假說”采用不同的收集策略：
新生代：
存放新創建的對象。特點是區域小、對象存活率低、回收頻繁。
Eden區：對象誕生的地方。
Survivor幸存者區 ：存放 Minor GC 后存活的對象。
老年代 ：
存放經過多次 Young GC 后依然存活的對象。特點是區域大、對象存活率高。
元空間 ：存放類元數據等，由本地內存提供，不屬堆內存。
垃圾收集類型：
Minor GC / Young GC：只收集年輕代的垃圾。
Major GC / Old GC：只收集老年代的垃圾。
Full GC：收集整個堆（新生代 + 老年代 + 方法區）的垃圾。
二、垃圾收集算法
分代收集理論：
目前主流JVM虛擬機中的垃圾收集器，都遵循分代收集理論：
弱分代：絕大多數對象都是朝生夕滅
強分代：經歷越多次垃圾收集過程的對象，越難以回收，難以消亡
按照分代收集理論設計的“分代垃圾收集器”，所采用的設計原則：收集器應該將Java堆劃分成不同的區域，然后將回收對象依據其年齡（年齡即對象經歷過垃圾收集過程的次數）分配到不同的區域存儲。
分代存儲：
- 如果一個區域中大多數對象都是朝生夕滅（新生代），難以熬過垃圾收集過程的話，把它們集中存儲在一起，每次回收時，只關注如何保留少量存活對象，而不是去標記大量將要回收的對象，就能以較低代價回收到大量的空間。
- 如果一個區域中大多數對象都是難以回收（老年代），那么把它們集中放在一起，JVM虛擬機就可以使用較低的頻率，來對這個區域進行回收。
這樣設計的好處是，兼顧垃圾收集的時間開銷和內存空間的有效利用。
分代收集：
堆區按照分代存儲的好處：
- 在Java堆區劃分成不同區域后，垃圾收集器才可以每次只回收其中某一個或者某些區域，所以才有MinorGC、MajorGC、FullGC等垃圾收集類型劃分。
- 在Java堆區劃分成不同區域后，垃圾收集器才可以針對不同的區域，安排與該區域存儲對象存亡特征相匹配的垃圾收集算法：標記-復制算法、標記-清除算法、標記-整理算法等。
垃圾收集算法：
垃圾收集算法主要解決三個問題：
如何判斷對象已死？（標記階段）
如何回收垃圾對象占用的內存？（清除階段）
如何避免內存碎片？（整理階段）
圍繞這些問題，衍生出了以下幾種基礎算法。
1. 基礎：如何判斷對象“已死”？
垃圾收集的前提是判斷對象是否存活。主要有兩種算法：
（1）. 引用計數算法
機制：在對象中添加一個引用計數器。每當有一個地方引用它時，計數器值就加一；當引用失效時，計數器值就減一。任何時刻計數器為零的對象就是不可能再被使用的。
優點：原理簡單，判定效率高。
缺點：無法解決對象之間循環引用的問題（對象A引用B，對象B引用A，但再無第三方引用它們倆）。因此，主流Java虛擬機均不采用此算法。
（2）. 可達性分析算法
機制：通過一系列稱為?“GC Roots”?的根對象作為起始節點集，從這些節點開始，根據引用關系向下搜索，搜索過程所走過的路徑稱為?“引用鏈”。如果某個對象到GC Roots間沒有任何引用鏈相連（即從GC Roots到這個對象不可達），則證明此對象是不可能再被使用的。
Java中可作為GC Roots的對象包括：
虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
方法區中類靜態屬性引用的對象。
方法區中常量引用的對象。
本地方法棧中JNI（即通常說的Native方法）引用的對象。
Java虛擬機內部的引用（如基本數據類型對應的Class對象，常駐的異常對象等）。
所有被同步鎖（synchronized關鍵字）持有的對象。
這是目前主流Java虛擬機采用的判斷對象是否存活的算法。
2. 核心：垃圾收集算法
確定了哪些對象是垃圾之后，就需要進行回收。主要有三種基礎算法：
1. 標記-清除算法
過程：算法分為“標記”和“清除”兩個階段。
標記：首先通過可達性分析，標記出所有需要回收的對象。
清除：隨后，統一回收掉所有被標記的對象。
優點：是最基礎的收集算法，后續算法都是在其基礎上改進的。
缺點：
執行效率不穩定：如果堆中包含大量需要回收的對象，則標記和清除兩個過程的執行效率都會隨之降低。
內存碎片化：標記、清除之后會產生大量不連續的內存碎片。碎片太多可能導致以后在分配大對象時無法找到足夠的連續內存，從而不得不提前觸發另一次垃圾收集。
2. 復制算法
過程：它將可用內存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內存用完了，就將還存活著的對象復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內存空間一次清理掉。
優點：
高效：只需要按順序分配內存，移動堆頂指針即可，分配新對象的速度極快。
無碎片：復制過程中會將存活對象緊湊地排列在另一塊內存，完全避免了碎片問題。
缺點：內存利用率低，可用內存縮小為了原來的一半。
應用：是HotSpot虛擬機中年輕代垃圾收集的核心算法。但商業虛擬機都對其進行了優化：并不按1:1的比例劃分內存，而是將內存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間（通常是8:1:1）。每次分配只使用Eden和其中一塊Survivor。發生Minor GC時，將Eden和Survivor中仍然存活的對象一次性復制到另一塊Survivor空間上，然后直接清理掉Eden和已用過的那塊Survivor空間。這樣只有10%的內存會被“浪費”。
3. 標記-整理算法
過程：也分為“標記”和“整理”兩個階段。
標記：與“標記-清除”算法一樣，首先標記所有需要回收的對象。
整理：讓所有存活的對象都向內存空間的一端移動，然后直接清理掉邊界以外的內存。
優點：
無內存碎片：整理后內存是緊湊的。
內存利用率高：無需浪費一半的內存空間。
缺點：“整理”階段涉及大量對象的移動，并且需要更新所有引用這些對象的指針，是一種開銷較大的操作，而且移動對象時必須全程暫停用戶應用程序（Stop The World）。
應用：主要用于老年代的垃圾收集，如Serial Old和Parallel Old收集器。
4. 分代收集算法
本質：這并非一種新的算法思想，而是上述三種算法的實際應用范式。
思路：根據對象存活周期的不同，將Java堆劃分為年輕代和老年代。
在年輕代：對象“朝生夕死”，存活率低，回收頻繁。因此選用復制算法，只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集，且速度最快。
在老年代：對象存活率高，沒有額外的空間對它進行分配擔保。因此必須使用?“標記-清除”或“標記-整理”?算法來進行回收。
3. 垃圾收集算法總結：
| 算法 | 過程 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 標記-清除 | 標記 → 清除 | 實現簡單 | 效率低、產生碎片 | 老年代 (CMS) |
| 復制 | 標記 → 復制到另一半 → 清空原空間 | 效率高、無碎片 | 浪費一半空間 | 年輕代 (幾乎所有收集器) |
| 標記-整理 | 標記 → 整理存活對象到一端 → 清理邊界 | 無碎片、空間利用率高 | 移動對象成本高 | 老年代 (Serial Old, Parallel Old) |
| 分代收集 | 根據代的特點選用上述算法 | 綜合優勢，揚長避短 | 實現復雜 | 現代JVM的實際實踐 |
三、經典垃圾收集器詳解
垃圾收集器是內存回收算法的具體實現。不同收集器適用于不同場景，核心目標是在?吞吐量?和?停頓時間?之間取得最佳平衡。
1. Serial 收集器（新生代）
特點：單線程工作的收集器。在進行垃圾收集時，必須暫停所有用戶工作線程（"Stop The World"），直到收集結束。
算法：復制算法。
定位：是?Client 模式下的默認新生代收集器。簡單而高效，沒有線程交互開銷。適用于內存資源受限的客戶端應用或單核服務器環境。
2. Serial Old 收集器（老年代）
特點：Serial 收集器的老年代版本，同樣是一個單線程收集器。
算法：標記-整理算法。
定位：主要用于?Client 模式。在 Server 模式下，它主要作為?CMS 收集器失敗時的后備預案（Concurrent Mode Failure）。
3. ParNew 收集器（新生代）
特點：本質上是?Serial 收集器的多線程并行版本。它使用多條線程進行垃圾收集，但在收集時同樣需要“Stop The World”。
算法：復制算法。
定位：在 JDK 7 之前，它是許多服務端應用的首選新生代收集器，因為它是?唯一能與 CMS 收集器配合工作?的新生代收集器。
4. Parallel Scavenge 收集器（新生代）
特點：也稱為“吞吐量優先”收集器。它使用并行多線程進行收集，但其關注點是達到一個?可控制的吞吐量（吞吐量 = 運行用戶代碼時間 / (運行用戶代碼時間 + 垃圾收集時間)）。
算法：復制算法。
定位：適合后臺運算、科學計算等?不需要低延遲，但需要高吞吐量?的任務。是?JDK 8 默認的新生代收集器。
5. Parallel Old 收集器（老年代）
特點：Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，使用多線程進行收集。
算法：標記-整理算法。
定位：在 JDK 6 之后才開始提供。它的出現使得?Parallel Scavenge + Parallel Old?成為一套真正專注于?高吞吐量?的完整組合。
6. CMS 收集器（老年代）
目標：以?獲取最短回收停頓時間?為目標，注重用戶體驗。
過程：其核心過程有四步驟：
初始標記?(Stop The World)：速度極快。
并發標記?(與用戶線程并發)：耗時最長但無需停頓。
重新標記?(Stop The World)：修正并發標記期間的變化。
并發清除?(與用戶線程并發)。
算法：標記-清除算法（會產生碎片）。
缺點：對CPU資源敏感、無法處理“浮動垃圾”、會產生內存碎片。
定位：適用于互聯網站、B/S系統的服務端，重視服務的響應速度。現已不推薦使用，被 G1 等收集器取代。
7. G1 收集器（老年代）
革新：放棄了傳統物理連續的分代模型，將堆劃分為多個大小相等的獨立區域（Region）。雖然保留分代概念，但年輕代和老年代是這些 Region 的動態集合。
目標：可預測的停頓時間模型。允許用戶指定期望的停頓時間。
工作機制：跟蹤各個 Region 的回收價值（空間大小及回收成本），優先回收價值最大的 Region。
算法：整體上看是標記-整理算法，局部（兩個Region之間）基于復制算法。
在不同的應用場景下，選擇合適的垃圾收集器至關重要。對于追求高吞吐量的后臺計算任務，Parallel Scavenge與Parallel Old的組合是最佳選擇；若需要低延遲的響應式服務，CMS或新一代的G1收集器更為合適；而對于內存敏感的單核環境，Serial收集器仍是最實用的選項。隨著技術發展，G1收集器憑借其平衡的吞吐量和延遲表現，已成為大多數現代應用的默認推薦。在選擇時，還需考慮JDK版本和具體的性能需求，才能做出最合適的決策。
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