GC机制与常见垃圾回收器
堆空间的基本结构
Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的角度来说，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆被划分为了几个不同的区域，这样我们就可以根据各个区域的特点选择合适的垃圾收集算法。
在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前，堆内存被通常分为下面三部分：
- 新生代内存(Young Generation)
- 老生代(Old Generation)
- 永久代(Permanent Generation)
JDK 8 版本之后 PermGen(永久) 已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是直接内存。
对象分配与回收基本原则
对象优先在 Eden 区分配
大多数情况下，对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。
当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间，所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去，老年代上的空间足够存allocation1，所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后，后面分配的对象如果能够存在 Eden 区的话，还是会在 Eden 区分配内存。
大对象直接进入老年代
大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）。大对象直接进入老年代的行为是由虚拟机动态决定的，它与具体使用的垃圾回收器和相关参数有关。大对象直接进入老年代是一种优化策略，旨在避免将大对象放入新生代，从而减少新生代的垃圾回收频率和成本。
长期存活的对象将进入老年代
大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配。如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活，并且能被 Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间（s0 或者 s1）中，并将对象年龄设为 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)。对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。
空间分配担保
空间分配担保是为了确保在 Minor GC 之前老年代本身还有容纳新生代所有对象的剩余空间。
死亡对象判断方法
引用计数法
给对象中添加一个引用计数器：
- 每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
- 当引用失效，计数器就减 1；
- 任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。
这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。
所谓对象之间的相互引用问题，假如对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。
可达性分析算法
算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。
这也是 G1、CMS 等主流垃圾收集器使用的主要算法。
哪些对象可以作为 GC Roots
所谓的GC Roots，就是一组必须活跃的引用，它们是程序运行时的起点，是一切引用链的源头。在 Java 中，GC Roots 包括以下几种：
- 虚拟机栈中的引用（方法的参数、局部变量等）
- 本地方法栈中 JNI 的引用
- 类静态变量
- 运行时常量池中的常量（String 或 Class 类型）
本地方法栈中 JNI 的引用？
Java 通过 JNI 提供了一种机制，允许 Java 代码调用本地代码（通常是 C 或C++ 编写的代码）。
当调用 Java 方法时，虚拟机会创建一个栈帧并压入虚拟机栈，而当它调用本地方法时，虚拟机会通过动态链接直接调用指定的本地方法。
JNI 引用是在 Java 本地接口代码中创建的引用，这些引用可以指向 Java 堆中的对象。它在本地方法执行期间保持 Java 对象活跃，可以被认为是 GC Roots。
一旦 JNI 方法执行完毕，除非这个引用是全局的，否则它指向的对象将会被作为垃圾回收掉（假设没有其他地方再引用这个对象）。
对象可以被回收，就代表一定会被回收吗？
即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，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；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。
被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。
垃圾回收算法
垃圾收集算法主要有三种，分别是标记-清除算法、标记-复制算法和标记-整理算法。
标记-清除算法
标记-清除算法分为两个阶段：
- 标记：标记所有需要回收的对象
- 清除：回收所有被标记的对象
优点是实现简单，缺点是回收过程中会产生内存碎片。
标记-复制算法
标记-复制算法可以解决标记-清除算法的内存碎片问题，因为它将内存空间划分为两块，每次只使用其中一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后清理掉这一块。
缺点是浪费了一半的内存空间；不适合老年代：如果存活对象数量比较大，复制性能会变得很差。
标记-整理算法
标记-整理算法是标记-清除复制算法的升级版，它不再划分内存空间，而是将存活的对象向内存的一端移动，然后清理边界以外的内存。
缺点是移动对象的成本比较高。适合老年代这种GC频率比较低的场景。
分代收集算法
分代收集算法是目前主流的垃圾收集算法，它根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般分为新生代和老年代。
新生代用复制算法，因为大部分对象生命周期短。老年代用标记-整理算法，因为对象存活率较高。
提问： 为什么使用分代收集算法？
分代收集算法的核心思想是根据对象的生命周期优化垃圾回收。
新生代的对象生命周期短，使用复制算法可以快速回收。老年代的对象生命周期长，使用标记-整理算法可以减少移动对象的成本。
提问： 标记复制的标记过程和复制过程会不会停顿？
在标记-复制算法 中，标记阶段和复制阶段都会触发STW。
- 标记阶段停顿是为了保证对象的引用关系不被修改。
- 复制阶段停顿是防止对象在复制过程中被修改。
提问： Minor GC、Major GC、Mixed GC、Full GC 都是什么意思？
Minor GC 也称为 Young GC，是指发生在年轻代的垃圾收集。年轻代包含Eden 区以及两个Survivor 区。如果 Eden 区没有足够的空间时，就会触发 Young GC 来清理新生代。
Major GC 也称为 Old GC，主要指的是发生在老年代的垃圾收集。是 CMS的特有行为。
Mixed GC 是 G1 垃圾收集器特有的一种 GC 类型，它在一次 GC 中同时清理年轻代和部分老年代。
Full GC 是最彻底的垃圾收集，涉及整个 Java 堆和方法区。它是最耗时的GC，通常在 JVM 压力很大时发生。在进行 Young GC 的时候，如果发现老年代可用的连续内存空间 < 新生代历次 Young GC 后升入老年代的对象总和的平均大小，说明本次 Young GC后升入老年代的对象大小，可能超过了老年代当前可用的内存空间，就会触发 Full GC。
执行 Young GC 后老年代没有足够的内存空间存放转入的对象，会立即触发一次 Full GC。Full GC 会从 GC Root 出发，标记所有可达对象。新生代使用复制算法，清空 Eden 区。老年代使用标记-整理算法，回收对象并消除碎片。停顿时间较长，会影响系统响应性能。
垃圾回收器
JVM的垃圾收集器主要分为两大类：分代收集器和分区收集器，分代收集器的代表是 CMS，分区收集器的代表是 G1 和 ZGC。
Serial 收集器
Serial 收集器是最基础、历史最悠久的收集器。
如同它的名字（串行），它是一个单线程工作的收集器，使用一个处理器或一条收集线程去完成垃圾收集工作。并且进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到垃圾收集结束——这就是所谓的“Stop The World”。
Serial Old 收集器
Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记-整理算法。
ParNew 收集器
ParNew 收集器实质上是 Serial 收集器的多线程并行版本，使用多条线程进行垃圾收集。
Parallel Old 收集器
Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，基于标记-整理算法实现，使用多条 GC 线程在 STW 期间同时进行垃圾回收。
Parallel Scavenge 收集器
Parallel Scavenge 收集器是一款新生代收集器，基于标记-复制算法实现，也能够并行收集。
和 ParNew 有些类似，但 Parallel Scavenge 主要关注的是垃圾收集的吞吐量——所谓吞吐量，就是 CPU 用于运行用户代码的时间和总消耗时间的比值，比值越大，说明垃圾收集的占比越小。
这是 JDK1.8 默认收集器。JDK1.8 默认使用的是 Parallel Scavenge + Parallel Old。
CMS 收集器
CMS 是一种低延迟的垃圾收集器，采用标记-清除算法，分为初始标记、并发标记、重新标记和并发清除四个阶段，优点是垃圾回收线程和应用线程同时运行，停顿时间短，适合延迟敏感的应用，但容易产生内存碎片，可能触发 Full GC。
初始标记： 短暂停顿，标记直接与 root 相连的对象（根对象）；
并发标记： 同时开启 GC 和用户线程，用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域，所以 GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
重新标记： 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短
并发清除： 开启用户线程，同时 GC 线程开始对未标记的区域做清扫。
remark 阶段通常会结合三色标记法来执行，确保在并发标记期间所有存活对象都被正确标记。目的是修正并发标记阶段中可能遗漏的对象引用变化。
G1 收集器
G1 是一种面向大内存、高吞吐场景的垃圾收集器，它将堆划分为多个小的 Region，通过标记-整理算法，避免了内存碎片问题。优点是停顿时间可控，适合大堆场景，但调优较复杂。
G1 (Garbage-First) 是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征。
初始标记： 短暂停顿（Stop-The-World，STW），标记从 GC Roots 可直接引用的对象，即标记所有直接可达的活跃对象
并发标记：与应用并发运行，标记所有可达对象。 这一阶段可能持续较长时间，取决于堆的大小和对象的数量。
最终标记： 短暂停顿（STW），处理并发标记阶段结束后残留的少量未处理的引用变更。
筛选回收：根据标记结果，选择回收价值高的区域，复制存活对象到新区域，回收旧区域内存。这一阶段包含一个或多个停顿（STW），具体取决于回收的复杂度。
从 JDK9 开始，G1 垃圾收集器成为了默认的垃圾收集器。
ZGC 收集器
ZGC 是 JDK 11 时引入的一款低延迟的垃圾收集器，与 CMS 中的 ParNew 和 G1 类似，ZGC 也采用标记-复制算法，不过 ZGC 对该算法做了重大改进。ZGC 可以将暂停时间控制在几毫秒以内，且暂停时间不受堆内存大小的影响，出现 Stop The World 的情况会更少，但代价是牺牲了一些吞吐量。ZGC 最大支持 16TB 的堆内存。
它通过并发标记和重定位来避免大部分 Stop-The-World 停顿，主要依赖指针染色来管理对象状态。