寫在前面
使用Java快一年時間了，從最早大學時候對Java的憎惡，到逐漸接受，到工作中體會到了Java開發的各種便捷與福利，這確實是一門不錯的開發語言。不僅是 Intellij開發Java程序的爽快，還有無需手動管理內存的便捷、 Maven管理依賴的整潔、 SpringCloud大禮包的規整等等。
所以，作為一個有追求的Java程序員，深入底層掌握 GC（垃圾回收）的機制，應該算是必備的技能了。本文即我在學習過程中的一些個人觀點以及心得，不正之處敬請指正。
JVM的運行數據區
首先我簡單來畫一張 JVM的結構原理圖，如下。
我們重點關注 JVM在運行時的數據區，你可以看到在程序運行時，大致有5個部分。
1、方法區
不止是存“方法”，而是存儲整個 class文件的信息，JVM運行時，類加載器子系統將會提取 class文件里面的類信息，并將其存放在方法區中。例如類的名稱、類的類型（枚舉、類、接口）、字段、方法等等。
2、堆（ Heap）
熟悉 c/c++編程的同學們應該相當熟悉 Heap了，而對于Java而言，每個應用都唯一對應一個JVM實例，而每一個JVM實例唯一對應一個堆。堆主要包括關鍵字 new的對象實例、 this指針，或者數組都放在堆中，并由應用所有的線程共享。堆由JVM的自動內存管理機制所管理，名為垃圾回收—— GC（garbage collection）。
3、棧（ Stack）
操作系統內核為某個進程或者線程建立的存儲區域,它保存著一個線程中的方法的調用狀態，它具有先進后出的特性。在棧中的數據大小與生命周期嚴格來說都是確定的，例如在一個函數中聲明的int變量便是存儲在 stack中，它的大小是固定的，在函數退出后它的生命周期也從此結束。在棧中，每一個方法對應一個棧幀，JVM會對Java棧執行兩種操作：壓棧和出棧。這兩種操作在執行時都是以棧幀為單位的。還有一些即時編譯器編譯后的代碼等數據。
4、PC寄存器
pc寄存器用于存放一條指令的地址，每一個線程都有一個PC寄存器。
5、本地方法棧
用來調用其他語言的本地方法，例如 C/C++寫的本地代碼， 這些方法在本地方法棧中執行，而不會在Java棧中執行。
初識GC
自動垃圾回收機制，簡單來說就是尋找 Java堆中的無用對象。打個比方：你的房間是JVM的內存，你在房間里生活會制造垃圾和臟亂，而你媽就是 GC（聽起來有點像罵人）。你媽每時每刻都覺得你房間很臟亂，不時要把你趕出門打掃房間，如果你媽一直在房間打掃，那么這個過程你無法繼續在房間打游戲吃泡面。但如果你一直在房間，你的房間早晚要變成一個無法居住的豬窩。
那么，怎么樣回收垃圾比較好呢？我們大致可以想出下面的思路。
Marking
首先，所有堆中的對象都會被掃描一遍：我們總得知道哪些是垃圾，哪些是有用的物品吧。因為垃圾實在太多了，所以，你媽會把所有的要扔掉的東西都找出來并打上一個標簽，到了時機成熟時回頭來一起處理，這樣她就能處理你不需要的廢物、舊家具，而不是把你喜歡的衣服或者身份證之類的東西扔掉。
Normal Deletion
垃圾收集器將清除掉標記的對象：你媽已經整理了一部分雜物（或者已全部整理完），然后會將他們直接拎出去倒掉。你很開心房間又可以繼續接受蹂躪了。
Deletion with Compacting
壓縮清除的方法：我們知道，內存有空閑，并不代表著我們就能使用它，例如我們要分配數組這種一段連續空間，假如內存中碎片較多，肯定是行不通的。正如房間可能需要再放一個新的床，但是扔掉舊衣柜后，原來的位置并不能放得下新床，所以需要進行空間壓縮，把剩下的家具和物品位置并到一起，這樣就能騰出更多的空間啦。
有趣的是，JVM并不是使用類似于 objective-c的 ARC（AutomaticReferenceCounting）的方式來引用計數對象，而是使用了叫根搜索算法( GC Root)的方法，基本思想就是選定一些對象作為 GC Roots，并組成根對象集合，然后從這些作為 GC Roots的對象作為起始點，搜索所走過的引用鏈（ ReferenceChain）。如果目標對象到 GC Roots是連接著的，我們則稱該目標對象是可達的，如果目標對象不可達，則說明目標對象是可以被回收的對象。
GC Root使用的算法是相當復雜的，你不必記住里面的所有細節。但是你要知道的一點就是，可以作為 GC Root的對象可以主要分為四種。
JVM棧中引用的對象；
方法區中，靜態屬性引用的對象；
方法區中，常量引用的對象；
本地方法棧中，JNI（即Native方法）引用的對象；
在 JDK1.2之后，Java將引用分為強引用、軟引用、弱引用、虛引用4種，這4種引用強度依次減弱。
分代與GC機制
嗯，聽起來這樣就可以了？但是實際情況下，很不幸，在JVM中絕大部分對象都是英年早逝的，在編碼時大部分堆中的內存都是短暫臨時分配的，所以無論是效率還是開銷方面，按上面那樣進行 GC往往是無法滿足我們需求的。而且，實際上隨著分配的對象增多， GC的時間與開銷將會放大。所以，JVM的內存被分為了三個主要部分：新生代，老年代和永久代。
新生代
所有新產生的對象全部都在新生代中， Eden區保存最新的對象，有兩個 SurvivorSpace—— S1和 S0，三個區域的比例大致為 8:1:1。當新生代的 Eden區滿了，將觸發一次 GC，我們把新生代中的 GC稱為 minor garbage collections。 minor garbage collections是一種 Stopthe world事件，比如你媽在打掃時，會把你趕出去，而不是你一邊扔垃圾她一邊打掃。
我們來看下對象在堆中的分配過程，首先有新的對象進入時，默認放入新生代的 Eden區， S區都是默認為空的。下面對象的數字代表經歷了多少次 GC，也就是對象的年齡。
當 eden區滿了，觸發 minor garbage collections，這時還有被引用的對象，就會被分配到 S0區域，剩下沒有被引用的對象就都會被清除。
再一次 GC時， S0區的部分對象很可能會出現沒有引用的，被引用的對象以及 S0中的存活對象，會被一起移動到 S1中。 eden和 S0中的未引用對象會被全部清除。
接下來就是無限循環上面的步驟了，當新生代中存活的對象超過了一定的【年齡】，會被分配至老年代的 Tenured區中。這個年齡可以通過參數 MaxTenuringThreshold設定，默認值為 15，圖中的例子為 8次。
新生代管理內存采用的算法為 GC復制算法( CopyingGC)，也叫標記-復制法，原理是把內存分為兩個空間:一個 From空間，一個 To空間，對象一開始只在 From空間分配， To空間是空閑的。 GC時把存活的對象從 From空間復制粘貼到 To空間，之后把 To空間變成新的 From空間，原來的 From空間變成 To空間。
首先標記不可達對象。
然后移動存活的對象到 to區，并保證他們在內存中連續。
清掃垃圾。
可以看到上圖操作后內存幾乎都是連續的，所以它的效率是非常高的，但是相對的吞吐量會較大。并且，把內存一分為二，占用了將近一半的可用內存。用一段偽代碼來實現大致為下。
void copying(){
$free = $to_start // $free表示To區占用偏移量，每復制成功一個對象obj,
// $free向前移動size(obj)
for(r : $roots)
*r = copy(*r) // 復制成功后返回新的引用
swap($from_start, $to_start) // GC完成后交互From區與To區的指針
}
老年代
老年代用來存儲活時間較長的對象，老年代區域的 GC是 major garbage collection，老年代中的內存不夠時，就會觸發一次。這也是一個 Stopthe world事件，但是看名字就知道，這個回收過程會相當慢，因為這包括了對新生代和老年代所有對象的回收，也叫 FullGC。
老年代管理內存最早采用的算法為標記-清理算法，這個算法很好理解，結合 GC Root的定義，我們會把所有不可達的對象全部標記進行清除。
在清除前，黃色的為不可達對象。
在清除后，全部都變成可達對象。
那么，這個算法的劣勢很好理解：對，會在標記清除的過程中產生大量的內存碎片，Java在分配內存時通常是按連續內存分配，這樣我們會浪費很多內存。所以，現在的 JVM GC在老年代都是使用標記-壓縮清除方法，將上圖在清除后的內存進行整理和壓縮，以保證內存連續，雖然這個算法的效率是三種算法里最低的。
永久代
永久代位于方法區，主要存放元數據，例如 Class、 Method的元信息，與 GC要回收的對象其實關系并不是很大，我們可以幾乎忽略其對 GC的影響。除了 JavaHotSpot這種較新的虛擬機技術，會回收無用的常量和的類，以免大量運用反射這類頻繁自定義 ClassLoader的操作時方法區溢出。
GC收集器與優化
一般而言， GC不應該成為影響系統性能的瓶頸，我們在評估 GC收集器的優劣時一般考慮以下幾點：
吞吐量
GC開銷
暫停時間
GC頻率
堆空間
對象生命周期
所以針對不同的 GC收集器，我們要對應我們的應用場景來進行選擇和調優，回顧 GC的歷史，主要有 4種 GC收集器: Serial、 Parallel、 CMS和 G1。
Serial
Serial收集器使用了標記-復制的算法，可以用 -XX:+UseSerialGC使用單線程的串行收集器。但是在 GC進行時，程序會進入長時間的暫停時間，一般不太建議使用。
Parallel
-XX:+UseParallelGC-XX:+UseParallelOldGCParallel也使用了標記-復制的算法，但是我們稱之為吞吐量優先的收集器，因為 Parallel最主要的優勢在于并行使用多線程去完成垃圾清理工作，這樣可以充分利用多核的特性，大幅降低 gc時間。當你的程序場景吞吐量較大，例如消息隊列這種應用，需要保證有效利用 CPU資源，可以忍受一定的停頓時間，可以優先考慮這種方式。
CMS ( ConcurrentMarkSweep)
-XX:+UseParNewGC-XX:+UseConcMarkSweepGCCMS使用了標記-清除的算法，當應用尤其重視服務器的響應速度（比如 Apiserver），希望系統停頓時間最短，以給用戶帶來較好的體驗，那么可以選擇 CMS。 CMS收集器在 MinorGC時會暫停所有的應用線程，并以多線程的方式進行垃圾回收。在 FullGC時不暫停應用線程，而是使用若干個后臺線程定期的對老年代空間進行掃描，及時回收其中不再使用的對象。
G1（ GarbageFirst）
-XX:+UseG1GC 在堆比較大的時候，如果 full gc頻繁，會導致停頓，并且調用方阻塞、超時、甚至雪崩的情況出現，所以降低 full gc的發生頻率和需要時間，非常有必要。 G1的誕生正是為了降低 FullGC的次數，而相較于 CMS， G1使用了標記-壓縮清除算法，這可以大大降低較大內存（ 4GB以上） GC時產生的內存碎片。
G1提供了兩種 GC模式， YoungGC和 MixedGC，兩種都是 StopTheWorld(STW)的。 YoungGC主要是對 Eden區進行 GC， MixGC不僅進行正常的新生代垃圾收集，同時也回收部分后臺掃描線程標記的老年代分區。
另外有趣的一點， G1將新生代、老年代的物理空間劃分取消了，而是將堆劃分為若干個區域（ region），每個大小都為 2的倍數且大小全部一致，最多有 2000個。除此之外， G1專門劃分了一個 Humongous區，它用來專門存放超過一個 region 50%大小的巨型對象。在正常的處理過程中，對象從一個區域復制到另外一個區域，同時也完成了堆的壓縮。
常用參數
-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器
-XX:+UseParNewGC：在新生代使用并行收集器
-XX:+UseParallelGC ：新生代使用并行回收收集器，更加關注吞吐量
-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用并行回收收集器
-XX:ParallelGCThreads：設置用于垃圾回收的線程數
-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器
-XX:ParallelCMSThreads：設定CMS的線程數量
-XX:+UseG1GC：啟用G1垃圾回收器
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