前言

几乎所有的对象都在堆（Heap）分配，我们只有在程序运行期时才知道要创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的。垃圾收集器所关注的正是这部分内存。学习GC之前务必清楚地知道JVM运行时内存，可以先阅读文章 Java虚拟机——内存区域

可回收对象

垃圾收集器回收的都是可回收对象，可回收对象一般有两种方法来判断：

• 引用计数器法：给每个对象设置一个引用计数器，对象被引用一次，计数器加一；引用失效时，计数器减一。任一时刻，引用计数器为0的对象就是可回收对象。但是引用计数器很难解决循环引用的问题，a，b两个对象如果相互引用，而没有被其他任何对象引用，理论上来说这两个对象均为可回收对象，但是因为他们的引用计数器均不为0，导致无法被回收。
• 可达性分析：基本思路是从一系列名为“GC Roots”的对象出发开始向下搜索，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到“GC Roots”没有路径相连（不可达）时，该对象就是可回收对象。

GC Roots对象包括以下：

• 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，比如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等
• 本地方法栈中引用的对象
• 方法区中静态属性引用的对象，比如Java类的引用类型静态变量
• 方法区中常量引用的对象，比如字符串常量池里的引用
• Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如NullPointerException、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器
• 所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象
• 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等

垃圾收集算法

标记-清除算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）分为“标记”和“清除”两个阶段，首先标记出需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有标记的对象。算法优点是简单，缺点有两个：效率低下、容易产生内存碎片。

算法可视化过程大致如下：

可以看到，整个过程需要扫描两次。

复制算法

复制算法（Copying）将可用内存分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当其中的一块内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块，然后再把可回收的对象都回收。这样每次都是对一半的区域进行垃圾清理，分配对象时不用考虑内存碎片的问题，只需要移动堆顶指针，按照顺序分配内存即可。

优点是实现简单，运行高效，不会产生内存碎片。缺点是内存利用率太低，每次只使用一半的内存。一般年轻代会用此算法，因为年轻代中约有98%的对象都是“朝生夕死”的，所以也不需要按照1:1来划分两块区域。HotSpot虚拟机年轻代是分为Eden区和两个Survivor区，大小比例是8 : 1（是Eden区和其中一个Survivor区的比例，两个Survivor一样大）。每次只使用Eden区和其中一个Survivor区，回收时，将Eden区和Survivor区的存活对象复制到另一个Survivor区，然后清理掉Eden区和使用过的Survivor区。

算法可视化过程大致如下：

标记-整理算法

标记整理算法（Mark-Compact）或者叫标记-压缩算法，算法分为“标记”和“整理”两个阶段，“标记”阶段和“标记-清理”算法一样。但是后续步骤不是直接清理标记对象，而是把存活对象向一端移动，然后直接清理端边界以外的内存。

算法可视化过程大致如下：

可以看到标记-整理算法也不会产生内存碎片

现在低版本商用虚拟机采用的都是分代收集算法，根据对象的存活周期把堆（Heap）分为年轻代、老年代、永久代（JDK1.8之后改成Matespace）。每次收集，年轻代会回收绝大部分对象，所以采用复制算法，只需要消耗少量对象的复制成本。老年代中对象存活周期较长，所以采用标记-清除算法或者标记-整理算法。

垃圾收集器

垃圾收算法是理论指导，垃圾收集器则是实际应用。HotSpot虚拟机垃圾收集器大致有以下几款（高版本还有ZGC和Shenandoah）：

连线表示两款垃圾收集器可以搭配使用，所处区域表示垃圾收集器工作的区域。G1横跨新生代和老年代是因为G1逻辑上分区，物理上不分区。

Serial收集器

Serial是最基本，发展历史最悠久的收集器。这个收集器是一个单线程的收集器，在进行垃圾收集时，必须暂停所有工程的线程，直到它收集结束，也就是“Stop The World”。优点是简单、高效，单线程不会有线程切换的开销。

-XX:+UseSerialGC参数指定使用该收集器。工作过程如下（Serial和Serial Old搭配使用）：

ParNew收集器

ParNew是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余的行为均与Serial收集器一致。

参数-XX:+UseParNewGC指定使用该收集器，工作过程如下（ParNew和Serial Old搭配使用）：

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge是工作于新生代垃圾收集器，使用复制算法。目的是达到一个可控制的吞吐量，是吞吐量优先的垃圾收集器。

参数-XX:+UseParallelGC指定使用该收集器，吞吐量 = 运行用户代码的时间 / (运行用户代码的时间 + 垃圾收集时间)，Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis，以及直接设置吞吐量的参数-XX:GCTimeRatio。

除此之外，还提供了参数-XX:+UseAdaptivePolicy实现GC自适应调节策略，即不需要手动设置年轻代大小、Eden区与Survivor区比例、晋升老年代年龄等参数，虚拟机会根据当前系统运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大吞吐量。其工作过程如下（Parallel Scavenge和Parallel Old搭配使用）：

Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法，参数-XX:+UseSerialOldGC指定使用该收集器。

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法，参数-XX:+UseParallelOldGC指定使用该收集器。

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一款以获取最短回收时间为目的的垃圾收集器，基于“标记-清除”算法，参数-XX:+UseConcMarkSweepGC指定使用该收集器，运行过程分为四步：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。下文会详细介绍CMS。

G1收集器

G1（Garbage First）收集器与其他垃圾收集器相比，G1收集器具有并发与并行、分代收集、空间整合、可预测停顿等特点，参数-XX:+UseG1GC指定使用该收集器。下文会详细介绍G1。

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾收集器是一款以获取最短停顿时间为目的的垃圾收集器，从名字上可以看出基于“标记-清除”算法实现。整个过程分为四个步骤：

• 初始标记（CMS initial Mark）：该过程仅仅标记“Gc Roots”直接关联的对象，速度很快
• 并发标记（CMS concurrent Mark）：该过程就是从Gc Roots开始向下搜索的过程
• 重新标记（CMS remark）：该过程是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动那一部分对象的标记记录，消耗时间比初始标记长，但是远小于并发标记
• 并发清除（CMS concurrent sweep）

CMS收集器的主要优点是并发收集和低停顿；主要缺点有三个：

• 对CPU资源敏感。CMS收集器默认启动的回收线程数是（CPU数量 + 3）/ 4，当CPU数量大于4时，并发回收时垃圾线程不少于25%的CPU资源，但是当CPU数量小于4个时，CMS对用户程序的影响就会变得很大。
• CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能会出现Concurrent Mode Failure失败，而导致另一次Full GC的产生。在并发清除阶段，由于工作线程还在运行，所以必定会产生新的垃圾。但是新的垃圾是出现在标记之后，所以只有下一次gc的时候才能清除，这部分垃圾就是浮动垃圾。
  正是由于浮动垃圾的存在，所以CMS不能等到老年代几乎快满了才进行垃圾回收，而是预留一些空间。CMS收集器在老年代使用了大约68%（参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction指定）后就会启动。要是CMS运行期间预留的空间无法满足程序需要，就会出现Concurrent Mode Failure失败，这时虚拟机将启用后备方案，临时使用Serial Old收集器来重新进行老年代垃圾回收，这样停顿时间就很长了。
• 容易产生内存碎片：因为CMS基于“标记-清除”算法。内存碎片过多的话，容易给大对象的分配带来很大的麻烦，往往老年代还有大量的空间，但是无法找到连续的空间来分配大对象，所以不得不提前触发一次Full GC。
  为了解决这个问题，虚拟机提供了一个参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，用于CMS由于内存碎片要进行Full GC时，开启内存碎片的合并整理过程。内存碎片的问题解决了，但是停顿时间变长了。虚拟机还提供了另一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction，这个参数表示执行多少次不压缩的Full GC后，接着执行一次压缩的Full GC（默认值为0，表示每次Full GC时都压缩）。

G1收集器

特点

G1收集器，全称Garbage-First Garbage Collector。在JDK1.7中正式推出，在JDK1.9已经被设置成默认收集器。G1应用在多处理器和大容量内存环境中，实现高吞吐量的同时，尽可能的满足垃圾收集暂停时间的要求。另外，它还具有以下特性：

• 像CMS收集器一样， 能与应用程序线程并发执行。
• 整理空闲空间更快。
• 需要更多的时间来预测GC停顿时间。
• 不希望牺牲大量的吞吐性能。
• 不需要更大的Java Heap。

优点

G1收集器的设计目标是取代CMS收集器，它同CMS相比，在以下方面表现的更出色：

• G1是一个有整理内存过程的垃圾收集器，不会产生很多内存碎片。
• G1的STW更可控，G1在停顿时间上添加了预测机制，用户可以指定期望停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）。

内存结构

G1收集器并不是像上面几种收集器一样将内存空间划分为新生代、老年代和永久代（或者Metaspace），而是将堆划分为若干个区域Region（它在逻辑上是分代的，但是物理上不分代）。

（图片来源：https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html）

这些Region被分成了Eden区（E）、Survivor区（S）、老年代（O）和Humongous区（H）。前三个概念和之前的分代含义一样。而Humongous表示这些Region存储的是巨大对象（humongous object，H-obj），即大小大于等于region一半的对象。

H-obj有如下几个特征：

• H-obj直接分配到了老年代，防止了反复拷贝移动。
• H-obj在global concurrent marking阶段的cleanup和full GC阶段回收。
• 在分配H-obj之前先检查是否超过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent和-XX:G1ReservePercent，如果超过的话，就启动global concurrent marking，为的是提早回收，防止 evacuation failures 和 full GC。

默认情况下，Region大小在1M-32M之间，是2的指数。参数-XX:G1HeapRegionSize可以修改

为了减少连续H-objs分配对GC的影响，需要把大对象变为普通的对象，建议增大Region size。

GC

这些区域的一部分包含新生代，新生代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间。老年代也分成很多区域，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有CMS内存碎片问题的存在了。

从每个Region的角度来看，G1使用的是复制算法，但是从整个堆来看，G1使用的是整理（压缩）算法。

G1提供了两种GC模式：Young GC和Mixed GC。这里并不是说G1不会产生Full GC，G1也会产生Full GC。

Young GC和Mixed GC都是STW模式。

• Young GC：选定所有年轻代里的Region。通过控制年轻代的region个数，即年轻代内存大小，来控制young GC的时间开销。
• Mixed GC：选定所有年轻代里的Region，外加根据global concurrent marking统计得出收集收益高的若干老年代Region。在用户指定的开销目标范围内尽可能选择收益高的老年代Region。Mixed GC是既回收年轻代，又回收部分老年代。

Mixed GC不是full GC，它只能回收部分老年代的Region，如果Mixed GC实在无法跟上程序分配内存的速度，导致老年代填满无法继续进行Mixed GC，就会使用serial old GC（full GC）来收集整个GC heap。

global concurrent marking的执行过程类似CMS，但是不同的是，在G1 GC中，它主要是为Mixed GC提供标记服务的，并不是一次GC过程的一个必须环节。global concurrent marking的执行过程分为四个步骤：

• 初始标记（initial mark，STW）。它标记了从GC Root开始直接可达的对象。
• 并发标记（Concurrent Marking）。这个阶段从GC Root开始对heap中的对象标记，标记线程与应用程序线程并行执行，并且收集各个Region的存活对象信息。
• 最终标记（Remark，STW）。标记那些在并发标记阶段发生变化的对象，将被回收。
• 清除垃圾（Cleanup）。清除空Region（没有存活对象的），加入到free list。

第一阶段initial mark是共用了Young GC的暂停，这是因为他们可以复用root scan操作，所以可以说global concurrent marking是伴随Young GC而发生的。第四阶段Cleanup只是回收了没有存活对象的Region，所以它并不需要STW。

Mixed GC发生的时机，由一些参数控制着的，另外也控制着哪些老年代Region会被选入CSet。 CSet是指Collection Set，一组可以被回收的分区集合，在CSet中存活的数据会在GC过程中被移动到另一个可用分区，CSet中的分区可能来自Eden区、Survivor区或者老年代。CSet占用不会超过整个堆的1%大小。

• G1HeapWastePercent：在global concurrent marking结束之后，可以知道老年代regions中有多少空间要被回收，在每次YGC之后和再次发生Mixed GC之前，会检查垃圾占比是否达到此参数，只有达到了，下次才会发生Mixed GC。
• G1MixedGCLiveThresholdPercent：老年代region中的存活对象的占比，只有在此参数之下，才会被选入CSet。
• G1MixedGCCountTarget：一次global concurrent marking之后，最多执行Mixed GC的次数。
• G1OldCSetRegionThresholdPercent：一次Mixed GC中能被选入CSet的最多老年代region数量。

完整的GC过程

新创建的对象在Eden区，当Eden区空间不足时，触发Minor GC（年轻代GC），会把Eden区和已使用的Survivor区中的存活对象复制到另一个Survivor区，然后清空Eden区和之前使用的Survivor区。

• 当对象熬过15次Minor GC（-XX:MaxTenuringThreshold参数指定该值，不同的垃圾收集器默认值不一样）后依然存活，会转移到老年代
• 如果Survivor区放不下该对象，会直接放入老年代
• 新生成的大对象（-XX:+PretenureSizeThreshold指定阈值，超过该值就是大对象，该参数只对Serial和ParNew两款收集器有效）直接进入老年代
• 如果在Survivor区相同年龄所有对象大小总和大于Survivor区的一半，则大于等于该年龄的对象进入老年代而无需等待-XX:MaxTenuringThreshold指定的参数。

Full GC是指老年代GC，但是老年代GC往往伴随着年轻代GC的发生，Full GC触发条件：

• 老年代空间不足
• 永久代空间不足（JDK7及以下）
• CMS收集器出现promotion failed或者concurrent mode failure。前者是在Minor GC过程中，Survivor空间不足，对象进入老年代，而老年代空间也不足时会触发Full GC；后者是CMS收集器收集时，老年代预留空间不足（并发清除阶段，产生浮动垃圾），会触发Full GC。
• Minor GC进入到老年代的平均大小大于老年代剩余空间
• 程序调用System.gc()，提醒收集器进行Full GC，不过仅仅是提醒，具体的执行还是由JVM决定。

常用参数

通用部分

• -XX:+PrintGC：打印GC日志
• -XX:+PrintGCDetails：打印GC详细日志
• -Xss：每个线程的虚拟机栈大小，一般256K
• -Xms：堆的初始值
• -Xmx：堆的最大值，一般设置和Xms一致，因为heap扩容时，会发生内存抖动，影响程序稳定性
• -XX:NewSize：年轻代初始空间大小。
• -XX:MaxNewSize：年轻代最大空间大小。
• -Xmn：年轻代大小
• -XX:SurvivorRatio：年轻代中Eden和Survivor的比值，默认8:1（Eden占8/10，两个Survivor各占1/10）
• -XX:NewRatio：老年代和年轻代内存大小比例，默认2:1
• -XX:MaxTenuringThreshold：年轻代对象进入老年代，熬过Minor GC次数的阈值
• -XX:+DisableExplictGC ：禁用System.gc()
• -XX:+PrintGCTimeStamps：JVM启动过后到GC所经历的时间
• -XX:+PrintGCDateStamps：GC发生的时间，yyyy-MM-dd'T'HH:mm:ss.SSSZ +0800
• -XX:+PrintFlagsFinal：打印JVM参数，例如java -XX:+PrintFlagsFinal -version |grep G1

Paralegal

• -XX:+ParallelGCThreads ：并行收集器的线程数，同样适用于CMS，一般设为和CPU核数相同
• -XX:+UseAdaptiveSizePolicy ：GC自适应调节策略，自动选择各区大小比例
• GCTimeRatio：设置GC时间占用程序运行时间的百分比
• -XX:MaxGCPauseMillis：停顿时间，是一个建议时间，GC会尝试用各种手段达到这个时间，比如减小年轻代

CMS

• -XX:+UseConcMarkSweepGC：老年代使用CMS收集器
• -XX:ParallelCMSThreads：CMS线程数量
• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：使用多少比例的老年代后开始CMS收集，默认是68%(近似值)，如果频繁发生SerialOld卡顿，应该调小
• -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：在Full GC时进行压缩，清理内存碎片
• -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction ：多少次Full GC之后，进行压缩

G1

• -XX:+UseG1GC：使用G1收集器
• -XX:MaxGCPauseMillis：建议值，G1会尝试调整Young区的块数来达到这个值
• -XX:GCPauseIntervalMillis：GC的间隔时间
• -XX:+G1HeapRegionSize：Region分区大小。 随着size增加，垃圾的存活时间更长，GC间隔更长，但每次GC的时间也会更长
• -XX:G1NewSizePercent：新生代最小比例，默认为5%，不需要修改，由G1自动调整
• -XX:G1MaxNewSizePercent：新生代最大比例，默认为60%，不需要修改，由G1自动调整
• -XX:GCTimeRatio：GC时间建议比例，G1会根据这个值调整堆空间
• -XX:ConcGCThreads：并发标记的线程数
• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：触发标记周期的堆占用率阈值。默认占用率是整个堆的45%

参考

• 《深入理解Java虚拟机》
• https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html