一、为什么要进行垃圾回收
随着程序的运行，内存中存在的实例对象、变量等信息占据的内存越来越多，其中有很多对象再也用不到，这些用不到的对象就被称之为垃圾，如果不及时进行垃圾回收，必然会带来程序性能的下降，甚至会因为可用内存不足造成一些不必要的系统异常。
垃圾回收机制主要是对 JVM 中堆内存进行管理，如果对 JVM 相关的概念还不了解，可以看一看《JVM 从入门到出门》这篇文章。
二、如何判定对象是否为垃圾
1、引用计数法
给对象添加一引用计数器，被引用一次计数器值就加 1；当引用失效时，计数器值就减 1；计数器为 0 时，对象就是垃圾。
优点是执行效率高，缺点是无法解决对象之间相互循环引用的问题。
2、可达性分析算法
以 GC Roots 为起始点进行搜索，判断对象的引用链是否可达，可达的对象都是存活的，不可达的对象可被回收。GC Roots 一般包含以下内容：
- 虚拟机栈中局部变量表中引用的对象
- 本地方法栈中 JNI 中引用的对象
- 方法区中类静态属性引用的对象
- 方法区中的常量引用的对象
对象死亡（被回收）前的最后一次挣扎:
即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“必死不可”，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程。
第一次标记：如果对象在进行可达性分析后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链，那它将会被第一次标记；
第二次标记：在第一次标记后接着会进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。在finalize()方法中没有重新与引用链建立关联关系的，将被进行第二次标记。
第二次标记成功的对象将真的会被回收，如果对象在finalize()方法中重新与引用链建立了关联关系，那么将会逃离本次回收，继续存活。
三、回收垃圾的算法
回收垃圾的算法主要有 4 种：标记清除算法， 标记整理算法，复制算法，分代收集算法。下面分别介绍。
1、标记清除
标记：从 GC Roots 为起始点进行扫描，如果是活动对象，则程序会在对象头部打上标记。
清除：对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象。
但是，标记清除算法会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存。例如上图中 B 与 E 之间只剩 2 格，若有一个新对象要占用 3 格，则需要开辟另外的内存或者 Full GC。
2、标记整理
标记：从 GC Roots 为起始点进行扫描，如果是活动对象，则程序会在对象头部打上标记。
整理：移动所有存活对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端以后的内存地址全部回收。
弥补了标记清除算法的不足，不会产生内存碎片。但是需要移动大量对象，处理效率比较低。
3、复制算法
将内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这一块内存用完了就将还存活的对象复制到另一块上面，然后再把使用过的内存空间进行一次清理。
不会产生内存碎片问题，顺序分配内存，执行效率高，但每次只使用了一半的内存，未免有点浪费。
4、分代收集
分代收集实际上就是将上述 3 种算法综合起来，针对不同的区域，采用不同的方法，按照对象的生命周期的不同划分区域，采用不同的垃圾回收算法，以提高 JVM 回收效率。
Java 堆分为两部分，Java 堆 = 新生代 + 老年代，默认分别占堆空间为 1/3、2/3；其中，新生代 = Eden + From Survivor + To Survivor，默认为 8:1:1。这样划分是由于对象生存周期的特殊性，针对不同的对象，采用不同的方法。
新生代使用：复制算法
老年代使用：标记清除 或 标记整理 算法
所有的对象都在 Eden 区创建，由于大部分对象都是“朝生夕灭”，只有少量对象能存活下来，所以在新生代采用复制算法，只有少量对象需要复制，这样最划算。
当 Eden 区满了，那么就会触发一次 Young GC，也就是年轻代垃圾回收。少量有用的对象会复制到 From 区。这样整个Eden区就被清理干净了，可以继续创建新的对象。
当 Eden 区再次被用完，就再触发一次 YoungGC，这个时候跟刚才稍稍有点区别。这次触发 Young GC 后，会将 Eden 区与 From 区还在被使用的对象复制到 To 区，再下一次 YoungGC 的时候，则是将 Eden 区与 To 区中的还在被使用的对象复制到 From 区。
经过若干次 YoungGC 后，有些对象在 From 与 To 之间来回游荡，这时候 From 区与 To 区亮出了底线（阈值），这些家伙要是到现在还没挂掉，对不起，一起复制老年代吧。
而在老年代，大部分对象任然会继续存活下来，此时采用标记整理或者标记清除算法，这样最划算。
对象如何晋升到老年代？
1、经历一定次数的 Minor GC 任然存活的对象，默认 15 次；
2、Eden 区或 Survivor 区域存放不下的对象；
3、新生成的大对象，直接放入老年代。
四、常见的垃圾收集器
Serial 垃圾收集器（单线程，复制算法）：
Serial 是单线程收集，进行垃圾收集时必须暂停所有工作线程。但是它简单高效，JVM Client 模式下默认的年轻代收集器。
ParNew 垃圾收集器（多线程，复制算法）：
ParNew 是多线程收集器，是 CMS 默认的新生代垃圾回收器，其他行为特点与 Serial 一样。
Parallel Scavenge 垃圾收集器（多线程，复制算法）：
Parallel Scavenge 和 ParNew 一样，都是多线程、新生代垃圾收集器。两者的区别在于：
Parallel Scavenge 追求 CPU 吞吐量，能够在较短时间内完成指定任务，因此适合没有交互的后台计算；
ParNew 追求降低用户停顿时间，适合交互式应用。
Serial Old 垃圾收集器（单线程，标记整理算法）：
Serial Old 收集器是 Serial 的老年代版本，都是单线程收集器，都适合客户端应用。它们唯一的区别就是：Serial Old 工作在老年代，使用“标记-整理”算法；Serial 工作在新生代，使用“复制”算法。
CMS 垃圾收集器（标记清楚算法）：
CMS (Concurrent Mark Sweep，并发标记清除) 收集器是以获取最短回收停顿时间为目标的收集器（追求低停顿），它在垃圾收集时，用户线程 和 GC 线程并发执行，因此在垃圾收集过程中不会感到明显的卡顿。
具体执行过程如下图：初始标记 (Initial Mark) —> 并发标记 (Concurrent Mark) —> 重新标记 (Remark) —> 并发清除 (Concurrnet Sweep)。
初始标记 (Initial Mark)：仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快，需要 Stop The World。
并发标记 (Concurrent Mark)：从 GC Roots 的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，耗时较长，但不需要停顿用户线程，可与垃圾收集器线程一起并发执行。
重新标记 (Remark)：该阶段是为了修正并发标记期间，因用户程序运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段需要 Stop The World，而且停顿时间通常比初始阶段稍长一些，但也远比并发标记阶段的时间短。
并发清除 (Concurrnet Sweep)：清理删除掉标记阶段判断已经死亡的对象，由于不需要移动存活对象，所有这个阶段可以和用户线程并发执行。
CMS 收集器是并发收集，有两次 Stop The Words，两次标记，因为 GC 线程和应用线程同时执行，好比你妈在打扫房间，你还在扔纸屑，可能产生新的引用关系。
CMS 的缺点：吞吐量低，无法处理浮动垃圾，导致频繁 Full GC，使用“标记-清除”算法产生碎片空间。
G1 垃圾收集器
G1 (Garbage-First) 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，它弱化了新生代和老年代的概念，虽然还保留了新生代和来年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，而是将堆划分为一块块独立的 Region（默认将整堆划分为 2048 个 Region），每个 Region 也不会确定地为某个代服务，可以按需在年轻代和老年代之间切换。
内存的回收是以 Region 为基本单位的，当要进行垃圾收集时，首先估计每个 Region 中垃圾的数量，每次都从垃圾回收价值最大的 Region 开始回收，因此可以获得最大的回收效率。
什么是回收价值最大？
价值最大就是回收耗时最短，回收时间就是复制的时间，存活对象越多，回收时要复制的间就越长，回收的效益就越低，例如同等大小的两个 Region，回收一个需要 100ms，另一个需要 50ms，那么 G1 肯定优先回收 50ms 的，这样就保证了在有效时间内能回收更多的堆空间。
每个 Region 都有一个 Remembered Set，用来记录该 Region 对象的引用对象所在的 Region。通过使用 Remembered Set，在做可达性分析的时候就可以避免全堆扫描。
从整体上看， G1 是基于“标记-整理”算法实现的收集器，从局部（两个 Region 之间）上看是基于“复制”算法实现的，这意味着运行期间不会产生内存空间碎片。
