垃圾回收器分类

串行，并行

串行回收指的是同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束。
并行回收可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“Stop-the-world”。

并发式，独占式

并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
独占式垃圾回收器一旦运行，就停止应用程序中所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

压缩式，非压缩式

压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。（对象分配空间使用指针碰撞）
非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。（再分配对象空闲使用：空闲列表）

新生代，老年代

按照工作内存区域又可以划分为新生代和老年代垃圾收集器。

GC性能指标

吞吐量 ：运行用户代码的时间占总运行的时间比例
暂停时间 ：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间
内存占用 ：Java堆内存占用大小

如果选择以吞吐量优先，那么必需降低内存回收的执行效率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收。

如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量下降。

现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间。

经典的垃圾回收器

串行，并行，并发

串行回收器：Serial，Serial Old
并行回收器：ParNew，Parallel Scavenge，Parallel Old
并发回收器：CMS，G1

分代

新生代垃圾收集器：Serial，ParNew，Parallel Scavenge
老年代垃圾收集器：Serial Old，Parallel Old，CMS
整堆收集器：G1

组合关系

Serial回收器：串行回收

Serial收集器采用 复制算法，串行回收和STW机制 方式执行内存回收。
除了新生代外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial Old收集器。Serial Old 同样也采用了串行回收和STW机制，只不过内存回收算法使用的是 标记-整理算法 。
优点：简单高效，对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。

ParNew回收器：并行回收

Par是Paralle的缩写，New指的是只能处理新生代。
ParNew收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，与Serial垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法，STW机制。
ParNew是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。
老年代仍采用Serial Old方式，但是要看JDK版本。
优点：对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。

Parallel Scavenge回收器：（吞吐量优先）

Parallel Scavenge收集器同样也采用了复制算法，并行回收和STW机制
和ParNew收集器不同，paralle Scavenge收集器的目标则是达到一个 可控制的吞吐量 ，它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew的一个重要区别。
高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适应在后台运算而不需要太多交互的任务。因此，常见在服务器环境中使用。
jdk8默认使用的是该垃圾收集器
-XX：MaxGCPauseMillis ：设置垃圾收集器最大停顿时间（STW）。为了尽可能地把停顿时间控制在MaxGCPauseMills以内，收集器在工作时会调整Java堆大小或者其他一些参数。对于用户而言，STW越短越好，但在服务器更注重吞吐量，所以服务器适用Parallel进行控制。
-XX：GCTimeRatio ：垃圾收集时间占总时间的比例=（1/（N+1）），用于衡量吞吐量大小。默认为99，也就是垃圾回收时间不超过1%。

CMS回收器：低延迟（Concurrent—Mark-Sweep）

CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。
CMS采用的标记-清除算法，所以使用空闲列表，并且会“Stop-the-world”

CMS工作原理

CMS整个过程比之前的收集器要复杂，整个过程分为4个主要阶段，初始标记阶段，并发标记阶段，重新标记阶段，和并发清除阶段

初始标记阶段 ：在这个阶段中，程序中所有工作线程都将会因为“Stop the world”机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务 仅仅只是标记出GC Roots直接关联到的对象（根对象） 。一旦标记完成之后就会恢复之前被暂停对的所有应用线程。由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
并发标记阶段 ：从GC Roots的直接关联对象（根对象）开始遍历整个对象图，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发执行。
重新标记阶段 ：由于在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行，因此为了修正并发运行期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象标记记录，这个阶段的停顿时间通常会比初始标记阶段稍微长一些，但远比并发标记阶段的时间短。
并发清除阶段 ：此阶段清理掉标记阶段判断已经死亡的对象，释放内存空间。由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的。
另外：由于垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中，还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此，CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，而是当堆内存使用率达到某一阈值时，便开始进行回收，以确保应用程序在CMS工作过程中依然有足够的空间支持应用程序运行。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备域案：临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的收集，这样STW就长了。

优点

并发收集
低延迟

弊端

会产生内存碎片，导致并发清除后，用户线程可用的空间不多。在无法分配大对象的情况下会触发Full GC。
CMS收集器对CPU资源非常敏感，它虽然不会导致用户停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
CMS收集器无法处理浮动垃圾。可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程时同时运行或者交叉运行，那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无法堆这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收，从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

规避内存碎片化的方案

使用：-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction参数（默认为0，指经过多少次fullGC才进行压缩）；
使用：-XX：UseCMSCompactAtFullCollection，在fullgc之后stw继续整理空间。

参数设置

-XX：+UseConcMarkSweepGC 手动指定使用CMS收集器执行内存回收任务
-XX：CMSInitialingOccupanyFraction 设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值，便开始进行回收。
-XX：ParallelCMSThreads 设置CMS线程数量

G1回收器

随着业务场景越来越庞大，复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试GC进行优化。 G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望

G1是一个并行垃圾回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region）（物理上不连续）。使用不同的Region来表示Eden，S0，S1，老年代等。
G1有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需要时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的region。
由于这种方式的侧重点在与回收垃圾最大量的区间，所以我们给他起了个名字叫（Garbage First）
主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器。

并行与并发

并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW。
并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况

分代收集

从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分新生代和老年代，新生代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区。年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
将堆空间分为若干个区域，这些区域包含了逻辑上的新生代和老年代。
与其他垃圾收集器不同，它同时兼顾新生代和老年代。

空间整合

G1将内存划分为一个个的Region区。内存的回收是以region为基本单位。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是 标记-压缩（Mark—Compact） 算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象是不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

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N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。

由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到很好的控制。
G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需要时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的region。保证G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

Region分区

使用G1收集器是，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB... - 所有Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变

一个region有可能属于Eden，Survivor或者Old/Tenured内存区域。但是一个Region只可能属于一个角色。
G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如果中的H块。主要用于存储大对象，如果超过1.5个region，就放到H。

垃圾回收过程概要

当新生代的Eden区用尽时开始新生代垃圾回收过程，G1的新生代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在新生代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行新生代回收。然后从新生代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年代区间，也可能是同时两个区间都涉及。
当堆内存使用达到一定只（默认为45%）时，开始老年代的并发标记过程。
标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1 GC从老年代区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和新生代不同，老年代的G1回收器和其他GC不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

记忆集（Remember Set）

解决一个对象被不同区域引用的问题，也就是跨代引用问题。

解决方法

无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用RSet来避免全局扫描
每个Region都有一个对应的RSet
每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作
然后检查将要写入的引用指向对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器，检查老年代对象中是否引用了新生代对象）
如果不同，通过CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的RSet中。
当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入RSet，就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

垃圾回收详细过程

G1回收过程一：年轻代GC

第一阶段，扫描根 ：根是指static变量指向的对象，正在执行方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
第二阶段，更新RSet ：处理dirty card queue中的card，更新RSet。此阶段完成后。RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。
第三阶段，处理RSet ：识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。
第四阶段，复制对象 ：此阶段，对象树被遍历，Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，Survior区内存分段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄就会加一，达到阈值会被复制到Old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。
第五阶段，处理引用 ：处理Soft，Weak，Phantom，Final，JNI Weak等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象是连续存储的，没有碎片，所以复制过程中可以达到内存整理的效果，减少碎片。

G1回收过程二：并发标记过程

初始标记阶段 ：标记从根节点直接可达的对象（根对象）。这个阶段是STW的，并且会触发一次年轻代GC。
根区域扫描 ：G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在young GC之前完成。
并发标记 ：在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例）
再次标记 ：由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果。是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法（SATB）
独占清理（cleanup，STW） ：计算各个区域存活的对象和GC回收比例，并进行排序。识别可以混合回收的区域，为下阶段做铺垫。是STW的。这个阶段实际上不会做垃圾收集。
并发清理阶段 ：识别并清理完全空闲的区域。

G1回收过程三：混合回收

并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算出来。默认情况下，这些老年代的内存会被分为8次回收。
混合回收的回收集包括八分之一的老年代内存分段，Eden区内存分段，Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。
由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，就会越先被回收。默认垃圾占比为占65%，垃圾占比低的话，复制存活对象多，复制时间长。
混合回收并不一定进行8次。有一个阈值。默认为10%，意思是允许整个堆内存有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存比例低于10%，则不进行混合回收。因为回收的存活对象少。