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垃圾收集是dalvik虚拟机内存管理的核心，垃圾收集的性能在很大程度上影响了一个Java程序内存使用的效率。顾名思义，垃圾收集就是收集垃圾内存加以回收。dalvik虚拟机使用常用的Mark-Sweep算法，该算法一般分Mark阶段（标记出活动对象），Sweep阶段（回收垃圾内存）和可选的Compact阶段（减少堆中的碎片）。dalvik虚拟机的实现不进行可选的Compact阶段。
1. Mark
垃圾收集的第一步是标记出活动对象，因为没有办法识别那些不可访问的对象(unreachable objects)，因此我们只能标记出活动对象，这样所有未被标记的对象就是可以回收的垃圾。
1.1 根集合(RootSet)
当进行垃圾收集时，需要停止dalvik虚拟机的运行（当然，除了垃圾收集之外）。因此垃圾收集又被称作STW（stop-the-world，整个世界因我而停止）。dalvik虚拟机在运行过程中要维护一些状态信息，这些信息包括：每个线程所保存的寄存器，Java类中的静态字段，局部和全局的JNI引用，JVM中的所有函数调用会对应一个相应C的栈帧。每一个栈帧里可能包含对对象的引用，比如包含对象引用的局部变量和参数。
所有这些引用信息被加入到一个集合中，叫根集合。然后从根集合开始，递归的查找可以从根集合出发访问的对象。因此，Mark过程又被成为追踪，追踪所有可被访问的对象。如下图所示，假定从根集合{a}开始，我们可以访问的对象集合为{a, b, c, d}，这样就追踪出所有可被访问的对象集合。
1.2 标记栈(MarkStack)
垃圾收集使用栈来保存根集合，然后对栈中的每一个元素，递归追踪所有可访问的对象，对于所有可访问的对象，在markBits位图中该将对象的内存起始地址对应的位设为1。这样当栈为空时，markBits位图就是所有可访问的对象集合。
2. Sweep
垃圾收集的第二步就是回收内存，在Mark阶段通过markBits位图我们可以得到所有可访问的对象集合，而liveBits位图表示所有已经分配的对象集合。因此通过比较这两个位图，liveBits位图和markBits位图的差异就是所有可回收的对象集合。Sweep阶段调用free来释放这些内存给堆。
3. Concurrent Mark(并发标记)
为了运行垃圾收集，需要停止虚拟机的运行，这可能会导致程序比较长时间的停顿。垃圾收集的主要工作位于Mark阶段，为了缩短停顿时间，dalvik虚拟机使用了Concurrent Mark技术。Concurrent Mark引入一个单独的gc线程，由该线程去跟踪自己的根集合中所有可访问的对象，同时所有其它的线程也在运行。这也是Concurrent一词的含义，但是为了回收内存，即运行Sweep阶段，必需停止虚拟机的运行。这会导入一个问题，即在gc线程mark对象的时候，其它线程的运行又引入了新的访问对象。因此在Sweep阶段，又重新运行mark阶段，但是在这个阶段对于已经mark的对象可以不用继续递归追踪了。这样从一定程度上降低了程序停顿时间。