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概况
理解 Java 虚拟机垃圾回收机制的底层原理，是系统调优与线上问题排查的基础，也是一个高级 Java 程序员的基本功，本文就针对 Java 垃圾回收这一主题做一些整理与记录。Java 垃圾回收器的种类繁多，它们的设计要在吞吐量（内存空间）与实时性（用户线程中断）方面进行权衡，各个垃圾回收器的适应场景也不尽相同（如：桌面应用，web 应用），因此，这里我们只讨论 JDK8 下的默认垃圾回收器，毕竟目前 JDK8 版本是业界的主流（占 80%），并且我们只讨论堆内存空间的垃圾回收。
JDK8 下的默认垃圾回收器：UseParallelGC ： Parallel （新生代）+ （老年代）堆内存回收机制
如何判断对象是否可回收？
首先思考一个问题，内存堆中那么多对象，回收器要回收哪些对象？怎么判断出这些要回收的对象呢？因此对于垃圾回收，判断并标识对象是否可回收是第一步。从理论层面来说，判断对象是否可回收一般两种方法。
引用计数器算法
每当对象被引用一次计数器加 1，对象失去引用计数器减 1，计数器为 0 是就可以判断对象死亡了。这种算法简单高效，但是对于循环引用或其他复杂情况，需要更多额外的开销，因此 Java 几乎不使用该算法。根搜索算法-可达性分析算法
所谓可达性分析是指，顺着 GCRoots 根一直向下搜索（用一个成语概括就是“顺藤摸瓜”），整个搜索的过程就构成了一条“引用链”，只要在引用链上的对象叫做可达，在引用链之外的（说明跟 GCRoots 没有任何关系）叫不可达，不可达的对象就可以判断为可回收的对象。 哪些对象可作为 GCRoots 对象呢？ 包括如下：- 虚拟机栈帧上本地变量表中的引用对象（方法参数、局部变量、临时变量）
- 方法区中的静态属性引用类型对象、常量引用对象
- 本地方法栈中的引用对象（Native 方法的引用对象）
- Java 虚拟机内部的引用对象，如异常对象、系统类加载器等
- 所以被同步锁（synchronize）持有的对象
- Java 虚拟机内部情况的注册回调、本地缓存等
如果对虚拟机的内存布局与运行流程有所了解的话，这些作为 GCRoots 都很好理解，它们是程序运行时的源头，程序的正常运行必须依赖它们，而与这些源头没有任何关系的对象，即可视为可回收对象。就好比“瓜从藤上掉下来了， 那这瓜肯定也没有用了”
可达性分析从理论上很好理解，但在垃圾收集器具体运行时，要考虑的问题不知道要复杂多少倍，因为在可达性分析的同时，程序也是在并行运行着，整个内存堆的状态随着程序的运行是实时变化的，要实现分析结果与内存状态的一致性，就必须要暂停用户线程，在一个快照去进行分析。
垃圾回收算法
可达性分析解决了判断对象是否可回收的问题，那么在垃圾回收时内存空间会发生哪些变化呢？这就是垃圾回收算法要讨论的问题，我们根据算法对内存采取的不同操作，可将垃圾回收算法分为 3 种：
- 标记-清除算法
- 标记-复制算法
- 标记-整理算法
标记-清除算法
根据名称就可以理解改算法分为两个阶段：首先标记出所有需要被回收的对象，然后对标记的对象进行统一清除，清空对象所占用的内存区域，下图展示了回收前与回收后内存区域的对比，红色的表示可回收对象，橙色表示不可回收对象，白色表示内存空白区域。
标记-清除算法的两个缺点：
- 执行效率不可控，试想一下如果堆中大部分的对象都可回收的，收集器要执行大量的标记、收集操作。
- 产生了许多内存碎片，通过回收后的内存状态图可以知道，被回收后的区域内存并不是连续的，当有大对象要分配而找不到满足大小的空间时，要触发下一次垃圾收集。
标记-复制算法
针对标记-清除算法执行效率与内存碎片的缺点，计算机科学家又提出了一种“半复制区域”的算法。
标记-复制算法将内存分为大小相同的两个区域：运行区域、预留区域，所有创建的新对象都分配到运行区域，当运行区域内存不够时，将运作区域中存活对象全部复制到预留区域，然后再清空整个运行区域内存，这时两块区域的角色也发生了变化，每次存活的对象就像皮球一下在运行区域与预留区域踢来踢出，而垃圾对象会随着整个区域内存的清空而释放掉，内存前后的状态参考下图：
标记-复制算法在大量垃圾对象的情况下，只需复制少量的存活对象，并且不会产生内存碎片问题，新内存的分配只需要移动堆顶指针顺序分配即可，很好的兼顾了效率与内存碎片的问题。
标注-复制算法也存在缺点：
预留一半的内存区域未免有些浪费了，并且如果内存中大量的是存活状态，只有少量的垃圾对象，收集器要执行更多次的复制操作才能释放少量的内存空间，得不偿失。
标记-整理算法
标记-复制算法要浪费一半内存空间，且在大多数状态为存活状态时使用效率会很低，针对这一情况计算机科学家又提出了一种新的算法“标记-整理算法”，标记整理算法的标记阶段与其他算法一样，但是在整理阶段，算法将存活的对象向内存空间的一端移动，然后将存活对象边界以外的空间全部清空，如下图所示：
标记整理算法解决了内存碎片问题，也不存在空间的浪费问题，看上去挺美好的。但是，当内存中存活对象多，并且都是一些微小对象，而垃圾对象少时，要移动大量的存活对象才能换取少量的内存空间。可见：不同的垃圾回收算法都有各自的优缺点，适应于不同的垃圾回收场景
新生代、老年代堆内存结构
Java 堆内存空间新生代、老年代是如何划分的？对象创建后是如何分配到不同的区域的？结合下图可以知道，整个堆内存被分为了 2 个大的区域，新生代，老年代，默认情况下新生代占 1/3 的空间，老年代占 2/3 的空间，新生代又分为两个区 Eden 区 Survial 区，Survial 又分为 S0、S1 区 默认各占 8/10 与 1/10，1/10 的空间。
为什么要这么设计呢？为什么要分那么多不同的内存区域干嘛？这是由对象的生命周期特征、与各类垃圾回收算法的优缺点所决定的，这正是垃圾回收器设计的理论基础。经过统计分析，大多数应用程序对象生命周期符合两个特征：
- 绝大多数的对象都是“朝生夕灭”的，即创建不久就消亡
- 熬过越多垃圾回收过程的对象就越难以消亡
因此，可以根据对象生命周期特征，将其划分到不同的区域，再对特定区域使用特定的垃圾回收算法，只有这样才能将垃圾算法的优点发挥到极致，这种组合的垃圾回收算法叫：分代垃圾算法。比如：
- 在新生代使用标记-复制算法
- 在老年代使用标记-整理算法
参考原文链接:https://xie.infoq.cn/article/9d4830f6c0c1e2df0753f9858
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