判断对象是否存活
引用计数法：
- 实现方式：为每个对象创建一个私有的引用计数器，当引用计数器为0时，标记为可被回收对象，
- 存在问题：无法解决对象之间相互引用的问题。当两个可被回收对象彼此引用时，引用计数器永远不为0，极易发生内存泄露；
可达性分析法(Reachability Analysis)/根追踪算法(GC Roots Tracing)
实现方式：通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，沿着引用链索搜索对象；当GC Roots到某个对象不可达时，证明该对象可被回收；
使用该算法后，内存中的存活对象都会和GC Roots在一个连通分量中；
当一个对象被可达性分析法判定为不可达对象后，该对象会被第一次标记，然后根据是否需要调用finalize()方法决定是否最终回收；
- 当对象没有重写finalize()方法或者对象的finalize()方法已被调用过（finalize()方法至多被调用一次），虚拟机判定可回收并最终回收；
- 当对象调用finalize()方法并在执行过程中，与引用链上的任何对象建立关联，虚拟机将其移除出“即将回收”集合；
在HotSpot中，可作为GC Roots的对象包括：
- 栈中引用对象（栈帧中的本地变量表）；
- 方法区中static成员引用的对象；
- 方法区中常量引用的对象；
- 本地方法栈中Native方法引用的对象；
- 与一个类对象的唯一的Class对象；
垃圾收集算法（分代收集算法）
为什么分代
- 分代原因：不同对象的生命周期时不一样的，因此对不同周期的对象采取对应的收集方式，提高回收效率；
- 不分代：如果不进行分代，每次垃圾回收都将对整个堆进行回收，花费实际较长；
分代收集算法
分带收集算法根据对象存活周期的不同将堆区内存划分为新生区，养老区和永久区，然后根据各自特点分别采用最合适GC算法，当前主流虚拟机的GC都采用分代收集算法；
| 标记-清除算法 | 复制算法 | 标记-整理算法 | |
| 实现 | 标记出全部需要回收的对象，最后统一清理所有被标记对象 | 将当前内存区域内的存活对象全部复杂到另一片内存区，然后请理全部内存空间 | 首先标记出全部需要回收的对象，然后将所剩余的所有存活对象都移动到一端，最后直接清理边界外的所有内存； 指针碰撞：执行整理后，已用内存和未用内存各自一边，维护一个分界指针，当新对象分配内存时，使用指针碰撞技术将新对象分配在第一个空闲内存位置上； |
| 不足 | 效率低， 造成内存碎片，不利于内存分配 | 在对象存活率较高时，复制操作频繁，效率较低； | |
| 应用 | 适用于CMS收集器进行Full GC | 新生区中进行Minor GC主要采用 不适用于养老区GC | 在标记-清除算法上改进，有效避免内存碎片 适用于Serial, ParNew等收集器进行Full GC |
新生区Minor GC过程
新生区内存较小，存储的对象生命周期非常短暂，因此高频率采用速度优先的复制算法进行GC
1. 执行MinorGC时，
if (存活对象分带年龄 >= MaxTenuringThreshold || To Survivor区容量达到阈值) {Eden区和From区中的存活对象===>>>养老区} else {Eden区存活对象===>>>To Survivor区From区中存活对象===>>>To Survivor区}
2. 清理Eden和From区全部内存；
3. 执行完Minor GC后，Eden区和From Survivor区清空，所有存活对象保存在To Survivor or 养老区区中；
4. 交换From Survivor区和To Survivor区位置（保证有一块Survivor必须是空的）
3. 执行完Minor GC后，Eden区和From Survivor区清空，所有存活对象保存在To Survivor or 养老区区中；
4. 交换From Survivor区和To Survivor区位置（保证有一块Survivor必须是空的）
养老区Full GC过程
养老区存储的对象生命周期非常长，并且养老区占据大部分堆区空间，因此养老区Full GC不采用复制算法
垃圾收集器/Garbage Collector
上图为JDK 1.7 Update14之后HotSpot中存在的收集器，两个收集器之间存在连线说明可以搭配使用；
★ STW(Stop-the-World)机制：运行GC时，GC收集器暂停所有的工作线程，直到GC完成后才恢复之前被暂停的工作线程；
- 串行/并行回收方式：在GC过程中，单线程/多线程收集器采用Stop-the-World机制；
- 并发回收：工作线程和垃圾回收线程并发执行；
直至目前，最新的G1收集器也无法做到完全不需要Stop-the-World，因此收集器的设计目的在于程序高吞吐量，GC低延迟；
常用垃圾收集器汇总
| Serial收集器 | Serial Old收集器 | ParNew收集器 | Parallel收集器 | Parallel Old收集器 | CMS收集器 | G1收集器 | |
| 回收方式 | 单线程串行回收 | 单线程串行回收 | 并行回收 | 并行回收 | 并行回收 | 并发回收 | 并发回收 |
| 工作场合 | 新生区 | 养老区 | 新生区 | 新生区 | 养老区 | 养老区 | 新生区，养老区 |
| 回收算法 | 复制算法 | 标记-整理算法 | 复制算法 | 复制算法 | 标记-整理算法 | 标记-清除算法 | 复制算法 |
| 是否STW机制 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 适用场景 | 单CPU宿主环境 | 单CPU宿主环境 | 多CPU宿主环境 | 多CPU宿主环境 | 多CPU宿主环境 |
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| 设计目标 | GC低延迟 | GC低延迟 | GC低延迟 | 控制GC频率 追求程序高吞吐量 | 控制GC频率 追求程序高吞吐量 | 在实现高吞吐量的同时，尽可能满足GC低暂停时间 | |
| 补充说明 | 缺省作为HopSpot Client模式下的新生区垃圾收集器 |
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CMS收集器
CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器在JDK1.5中发布，工作在养老区，执行过程分为4步：
1. 初始标记(Initial-Mark)/Stop-the-World
标记所有和GC Roots连通的对象，标记期间采用Stop-the-World机制（短暂暂停）；
2. 并发标记(Concurrent-Mark)
进行根追踪(GC-Roots-Tracing)，将上一阶段中的不可达对象标记为垃圾对象；标记期间，标记线程和工作线程并发执行；
3. 再次标记(Re-Mark)/Stop-the-World
为防止并发标记阶段中被标记的垃圾对象的引用关系遭到修改，再次标记修正遭到修改的对象标记，标记期间采用Stop-the-World机制（短暂暂停）；
4. 并发清除(Concurrent-Sweep)
- 经过前3个标记阶段，CMS并发清除掉所有垃圾对象的内存空间；
- 清除期间，为保证用户线程正常工作，CMS会预留足够内存空间给用户线程，当预留内存无法满足需要，出现Concurrent Mode Failure失败，虚拟机临时启动Serial Old收集器进行GC；
CMS缺陷
- 产生大量内存碎片：由于CMS采用标记-清除算法，不可避免地会产生内存碎片，因此CMS分配内存空间时只能采用空闲链表法；
- 无法实时处理垃圾：CMS并发清除阶段，无法实时处理用户工作线程产生的新垃圾，只能等待下一次GC时清理；
- 对CPU资源非常敏感：并发阶段会占用CPU资源，尤其当发生Concurrent Mode Failure，调用Serial Old收集器后，延迟较大，导致程序吞吐量下降；
G1收集器(Garbage First)
分代方式
G1与其他收集器不同，没有选择在物理上隔离的新生区和养老区划分方式，而是在逻辑上划分为新生区和养老区；
- G1将整个堆区划分为2048个大小相同的独立区域(Region)；
- Region块大小根据堆空间的实际大小决定（控制在1MB~32MB）；
- 新生区和养老区不再物理隔离，都是逻辑概念，都由一部分非连续的Region组成；
- Eden Regions
- Survivor Regions
- Old generation Regions
- Humongous Regions：专门用于存放大小超过Region 50%的巨型对象；
Card Table和Remember Set(RS)
Card Table是一个全局Byte数组，
- 将堆区按照512字节划分成块，每块对应一个Card；
- 每个Card大小为1字节，标记为脏表示当前512字节长度的堆区块内存在对其他Region的引用；
- Dirty Card Queue负责记录入队dirty card
G1使用Remember Set记录Old Region是否引用Eden Region中的对象；
- G1中每个Region都有一个对应的RS，负责记录其他Region对本Region的引用信息；
- RS是一个Hash Table，每一个元素是一个Card地址，表示对应Card地址空间中存在对本Region的引用；
- 判断对象存活时，GC-Roots通过扫描Eden Region的RS，而不必扫描Old Region；
暂停预测模型(Pause Prediction Model)
★ 最大暂停时间：由参数XX:MaxGCPauseMillis指定；
G1在后台用一个优先列表跟踪记录每个Region的回收收益，每次在最大暂停时间内，优先回收收益最大的Region，即Garbage First；
G1使用暂停预测模型在目标暂停时间范围内，来选择回收的Region数量；
GC模式一：Young GC
Young GC是对Eden Region进行GC，在Eden Region空间耗尽时触发，执行期间采用STW机制；
0. Stop-the-World；
1. 根区域扫描：
2. 更新Remember Set：清空Dirty Card Queue更新Remember Set；
3. 处理Remember Set：通过RS找打Eden Region内被Old Region引用的对象；
4. 复制算法：优先回收收益最大的Eden Region，拷贝存活对象到Survivor/Old Region，清理Eden Region空间；
5. 处理引用队列（软引用、弱引用、虚引用处理）；
GC模式二：Mixed GC过程
Mixed GC对新生区和养老区进行GC，当堆区使用率达到阈值（默认45%）时触发；
G1的执行过程分为6个阶段：
1. 初始标记(Initial-Mark)
执行一次Young GC；标记所有和GC Roots连通的Region块，标记期间采用STW机制（短暂暂停）；
2. 根区域扫描(Root-Region-Scanning)
可与用户程序并发执行，不可被Young GC中断；
3. 并发标记(Concurrent-Marking)
采用STW机制，在整个堆中进行并发标记， 标记出所有存活对象和垃圾对象；
虚拟机用线程Remember Set Logs记录并发标记阶段标记状态发生的对象记录；
- Remember Set Logs本质是每个线程独有的一个大小为256的缓冲区，存放dirty card地址；
可被Young G和STW中断，可以和用户程序并发执行，耗时较长；
4. 再次标记(Remark)/Stop-the-World
G1采用SATB(Snapshot-at-the-begining)缓冲区再次标记对象（并发标记阶段标记状态发生改变的对象）；
再次标记阶段负责将Remember Set Logs中数据合并到Remember Set中；
5. 清除(Cleanup)和拷贝(Copying)
- 清除目标：优先回收收益最大的Eden Regions和Old Regions；
- 清除和拷贝：清除时采用复制算法，把存活对象复制到空闲Region，然后清空原Region，将清空后的Region加入空闲Region链表中；
- 期间可与用户程序并发执行；
G1收集器与CMS收集器对比
- G1通过划分Region方式避免内存碎片问题；CMS区新生区和养老区位置固定，G1中仅是逻辑概念，在内存使用上更灵活；
- G1通过设置预期停顿时间(Pause Time)，能让用户明确指定一个最大垃圾收集时间，使得GC时间不得超过该目标实际，来控制垃圾收集时间避免应用雪崩现象；
- G1在回收内存后马上整理空闲内存，CMS默认在STW的时候做；
- G1在新生区和养老区工作，CMS只能在养老区工作；
