JVM内存模型与GC算法（简介）

时间：2023-03-10 03:28:11
JVM内存模型与GC算法（简介）

一、JVM的基本介绍

JVM 是 Java Virtual Machine 的缩写，它是一个虚构出来的计算机，一种规范。通过在实际的计算机上仿真模拟各类计算机功能实现···

好，其实抛开这么专业的句子不说，就知道JVM其实就类似于一台小电脑运行在windows或者linux这些操作系统环境下即可。它直接和操作系统进行交互，与硬件不直接交互，可操作系统可以帮我们完成和硬件进行交互的工作。

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1.1 Java文件是如何被运行的

比如我们现在写了一个 HelloWorld.java 好了，那这个 HelloWorld.java 抛开所有东西不谈，那是不是就类似于一个文本文件，只是这个文本文件它写的都是英文，而且有一定的缩进而已。

那我们的 JVM 是不认识文本文件的，所以它需要一个 编译 ，让其成为一个它会读二进制文件的 HelloWorld.class

① 类加载器

如果 JVM 想要执行这个 .class 文件，我们需要将其装进一个 类加载器 中，它就像一个搬运工一样，会把所有的 .class 文件全部搬进JVM里面来。

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② 方法区

方法区 是用于存放类似于元数据信息方面的数据的，比如类信息，常量，静态变量，编译后代码···等

类加载器将 .class 文件搬过来就是先丢到这一块上

③ 堆

堆 主要放了一些存储的数据，比如对象实例，数组···等，它和方法区都同属于 线程共享区域 。也就是说它们都是 线程不安全 的

④ 栈

栈 这是我们的代码运行空间。我们编写的每一个方法都会放到 栈 里面运行。

我们会听说过 本地方法栈 或者 本地方法接口 这两个名词，不过我们基本不会涉及这两块的内容，它俩底层是使用C来进行工作的，和Java没有太大的关系。

⑤ 程序计数器

主要就是完成一个加载工作，类似于一个指针一样的，指向下一行我们需要执行的代码。和栈一样，都是 线程独享 的，就是说每一个线程都会有自己对应的一块区域而不会存在并发和多线程的问题。

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小总结

  1. Java文件经过编译后变成 .class 字节码文件
  2. 字节码文件通过类加载器被搬运到 JVM 虚拟机中
  3. 虚拟机主要的5大块：方法区，堆都为线程共享区域，有线程安全问题，栈和本地方法栈和计数器都是独享区域，不存在线程安全问题，而 JVM 的调优主要就是围绕堆，栈两大块进行

1.2 简单的代码例子

一个简单的学生类

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一个main方法

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执行main方法的步骤如下:

  1. 编译好 App.java 后得到 App.class 后，执行 App.class，系统会启动一个 JVM 进程，从 classpath 路径中找到一个名为 App.class 的二进制文件，将 App 的类信息加载到运行时数据区的方法区内，这个过程叫做 App 类的加载
  2. JVM 找到 App 的主程序入口，执行main方法
  3. 这个main中的第一条语句为 Student student = new Student("tellUrDream") ，就是让 JVM 创建一个Student对象，但是这个时候方法区中是没有 Student 类的信息的，所以 JVM 马上加载 Student 类，把 Student 类的信息放到方法区中
  4. 加载完 Student 类后，JVM 在堆中为一个新的 Student 实例分配内存，然后调用构造函数初始化 Student 实例，这个 Student 实例持有 指向方法区中的 Student 类的类型信息 的引用
  5. 执行student.sayName();时，JVM 根据 student 的引用找到 student 对象，然后根据 student 对象持有的引用定位到方法区中 student 类的类型信息的方法表，获得 sayName() 的字节码地址。
  6. 执行sayName()

其实也不用管太多，只需要知道对象实例初始化时会去方法区中找类信息，完成后再到栈那里去运行方法。找方法就在方法表中找。

二、类加载器的介绍

之前也提到了它是负责加载.class文件的，它们在文件开头会有特定的文件标示，将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些内容转换成方法区中的运行时数据结构，并且ClassLoader只负责class文件的加载，而是否能够运行则由 Execution Engine 来决定

2.1 类加载器的流程

从类被加载到虚拟机内存中开始，到释放内存总共有7个步骤：加载，验证，准备，解析，初始化，使用，卸载。其中验证，准备，解析三个部分统称为连接

2.1.1 加载

  1. 将class文件加载到内存
  2. 将静态数据结构转化成方法区中运行时的数据结构
  3. 在堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class对象作为数据访问的入口

2.1.2 连接

  1. 验证：确保加载的类符合 JVM 规范和安全，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机的事件，其实就是一个安全检查
  2. 准备：为static变量在方法区中分配内存空间，设置变量的初始值，例如 static int a = 3 （注意：准备阶段只设置类中的静态变量（方法区中），不包括实例变量（堆内存中），实例变量是对象初始化时赋值的）
  3. 解析：虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程（符号引用比如我现在import java.util.ArrayList这就算符号引用，直接引用就是指针或者对象地址，注意引用对象一定是在内存进行）

2.1.3 初始化

初始化其实就是一个赋值的操作，它会执行一个类构造器的<clinit>()方法。由编译器自动收集类中所有变量的赋值动作，此时准备阶段时的那个 static int a = 3 的例子，在这个时候就正式赋值为3

2.1.4 卸载

GC将无用对象从内存中卸载

2.2 类加载器的加载顺序

加载一个Class类的顺序也是有优先级的，类加载器从最底层开始往上的顺序是这样的

  1. BootStrap ClassLoader：rt.jar
  2. Extention ClassLoader: 加载扩展的jar包
  3. App ClassLoader：指定的classpath下面的jar包
  4. Custom ClassLoader：自定义的类加载器

2.3 双亲委派机制

当一个类收到了加载请求时，它是不会先自己去尝试加载的，而是委派给父类去完成，比如我现在要new一个Person，这个Person是我们自定义的类，如果我们要加载它，就会先委派App ClassLoader，只有当父类加载器都反馈自己无法完成这个请求（也就是父类加载器都没有找到加载所需的Class）时，子类加载器才会自行尝试加载

这样做的好处是，加载位于rt.jar包中的类时不管是哪个加载器加载，最终都会委托到BootStrap ClassLoader进行加载，这样保证了使用不同的类加载器得到的都是同一个结果。

其实这个也是一个隔离的作用，避免了我们的代码影响了JDK的代码，比如我现在要来一个

public class String(){
    public static void main(){sout;}
}
复制代码

这种时候，我们的代码肯定会报错，因为在加载的时候其实是找到了rt.jar中的String.class，然后发现这也没有main方法

3内存模型

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JVM内存模型如上图，需要声明一点，这是《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》规定的内容，实际区域由各JVM自己实现，所以可能略有不同。以下对各区域进行简短说明。

3.1程序计数器

程序计数器是众多编程语言都共有的一部分，作用是标示下一条需要执行的指令的位置，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都是依赖程序计数器完成的。

对于Java的多线程程序而言，不同的线程都是通过轮流获得cpu的时间片运行的，这符合计算机组成原理的基本概念，因此不同的线程之间需要不停的获得运行，挂起等待运行，所以各线程之间的计数器互不影响，独立存储。这些数据区属于线程私有的内存。

3.2 Java虚拟机栈

　　虚拟机栈负责运行代码，而虚拟机堆负责存储数据。

　　线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

　　每一个方法调用直至执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

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　　局部变量表(Local Variable Table)是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内定义的局部变量。包括8种基本数据类型、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

　　其中64位长的long和double占用了2个局部变量空间(slot)，其他类型都占用1个。这也从存储的角度上说明了long与double本质上的非原子性。局部变量表所需的内存在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表大小。

　　由于栈帧的进出栈，显而易见的带来了空间分配上的问题。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常；

　　如果虚拟机栈可以扩展，扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError。显然，这种情况大多数是由于循环调用与递归带来的。

3.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的作用十分类似，不过本地方法是为native方法服务的。部分虚拟机（比如 Sun HotSpot虚拟机）直接将本地方法栈与虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StactOverFlowError与OutOfMemoryError异常。

至此，线程私有数据区域结束，下面开始线程共享数据区。

3.4 Java堆

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，此块内存的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在对上分配内存。

JVM规范中的描述是：所有的对象实例以及数据都要在堆上分配。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配(对象只存在于某方法中，不会逃逸出去，因此方法出栈后就会销毁，此时对象可以在栈上分配，方便销毁)，标量替换(新对象拥有的属性可以由现有对象替换拼凑而成，就没必要真正生成这个对象)等优化技术带来了一些变化，目前并非所有的对象都在堆上分配了。

当java堆上没有内存完成实例分配，并且堆大小也无法扩展是，将会抛出OutOfMemoryError异常。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。

非堆内存其实我们已经说过了，就是方法区。在1.8中已经移除永久代，替代品是一个元空间(MetaSpace)，最大区别是metaSpace是不存在于JVM中的，它使用的是本地内存。并有两个参数

MetaspaceSize：初始化元空间大小，控制发生GC
MaxMetaspaceSize：限制元空间大小上限，防止占用过多物理内存。

移除的原因可以大致了解一下：融合HotSpot JVM和JRockit VM而做出的改变，因为JRockit是没有永久代的，不过这也间接性地解决了永久代的OOM问题。

3.3.7 Eden年轻代的介绍

当我们new一个对象后，会先放到Eden划分出来的一块作为存储空间的内存，但是我们知道对堆内存是线程共享的，所以有可能会出现两个对象共用一个内存的情况。这里JVM的处理是每个线程都会预先申请好一块连续的内存空间并规定了对象存放的位置，而如果空间不足会再申请多块内存空间。这个操作我们会称作TLAB，有兴趣可以了解一下。

当Eden空间满了之后，会触发一个叫做Minor GC（就是一个发生在年轻代的GC）的操作，存活下来的对象移动到Survivor0区。Survivor0区满后触发 Minor GC，就会将存活对象移动到Survivor1区，此时还会把from和to两个指针交换，这样保证了一段时间内总有一个survivor区为空且to所指向的survivor区为空。经过多次的 Minor GC后仍然存活的对象（这里的存活判断是15次，对应到虚拟机参数为 -XX:MaxTenuringThreshold 。为什么是15，因为HotSpot会在对象投中的标记字段里记录年龄，分配到的空间仅有4位，所以最多只能记录到15）会移动到老年代。老年代是存储长期存活的对象的，占满时就会触发我们最常听说的Full GC，期间会停止所有线程等待GC的完成。所以对于响应要求高的应用应该尽量去减少发生Full GC从而避免响应超时的问题。

而且当老年区执行了full gc之后仍然无法进行对象保存的操作，就会产生OOM，这时候就是虚拟机中的堆内存不足，原因可能会是堆内存设置的大小过小，这个可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。也可能是代码中创建的对象大且多，而且它们一直在被引用从而长时间垃圾收集无法收集它们。

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3.3.8 如何判断一个对象需要被干掉

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图中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈，3个区域随着线程的生存而生存的。内存分配和回收都是确定的。随着线程的结束内存自然就被回收了，因此不需要考虑垃圾回收的问题。而Java堆和方法区则不一样，各线程共享，内存的分配和回收都是动态的。因此垃圾收集器所关注的都是堆和方法这部分内存。

在进行回收前就要判断哪些对象还存活，哪些已经死去。下面介绍两个基础的计算方法

1.引用计数器计算：给对象添加一个引用计数器，每次引用这个对象时计数器加一，引用失效时减一，计数器等于0时就是不会再次使用的。不过这个方法有一种情况就是出现对象的循环引用时GC没法回收。

2.可达性分析计算：这是一种类似于二叉树的实现，将一系列的GC ROOTS作为起始的存活对象集，从这个节点往下搜索，搜索所走过的路径成为引用链，把能被该集合引用到的对象加入到集合中。搜索当一个对象到GC Roots没有使用任何引用链时，则说明该对象是不可用的。主流的商用程序语言，例如Java，C#等都是靠这招去判定对象是否存活的。

（了解一下即可）在Java语言汇总能作为GC Roots的对象分为以下几种：

  1. 虚拟机栈（栈帧中的本地方法表）中引用的对象（局部变量）
  2. 方法区中静态变量所引用的对象（静态变量）
  3. 方法区中常量引用的对象
  4. 本地方法栈（即native修饰的方法）中JNI引用的对象（JNI是Java虚拟机调用对应的C函数的方式，通过JNI函数也可以创建新的Java对象。且JNI对于对象的局部引用或者全局引用都会把它们指向的对象都标记为不可回收）
  5. 已启动的且未终止的Java线程

这种方法的优点是能够解决循环引用的问题，可它的实现需要耗费大量资源和时间，也需要GC（它的分析过程引用关系不能发生变化，所以需要停止所有进程）

3.3.9 如何宣告一个对象的真正死亡

首先必须要提到的是一个名叫 finalize() 的方法

finalize()是Object类的一个方法、一个对象的finalize()方法只会被系统自动调用一次，经过finalize()方法逃脱死亡的对象，第二次不会再调用。

补充一句：并不提倡在程序中调用finalize()来进行自救。建议忘掉Java程序中该方法的存在。因为它执行的时间不确定，甚至是否被执行也不确定（Java程序的不正常退出），而且运行代价高昂，无法保证各个对象的调用顺序（甚至有不同线程中调用）。在Java9中已经被标记为 deprecated ，且java.lang.ref.Cleaner（也就是强、软、弱、幻象引用的那一套）中已经逐步替换掉它，会比finalize来的更加的轻量及可靠。
  

判断一个对象的死亡至少需要两次标记

  1. 如果对象进行可达性分析之后没发现与GC Roots相连的引用链，那它将会第一次标记并且进行一次筛选。判断的条件是决定这个对象是否有必要执行finalize()方法。如果对象有必要执行finalize()方法，则被放入F-Queue队列中。
  2. GC对F-Queue队列中的对象进行二次标记。如果对象在finalize()方法中重新与引用链上的任何一个对象建立了关联，那么二次标记时则会将它移出“即将回收”集合。如果此时对象还没成功逃脱，那么只能被回收了。

3.5 方法区

方法区与java堆一样，是线程共享的数据区，用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码。

JVM规范将方法与堆区分开，但是HotSpot将方法区作为永久代(Permanent Generation)实现。这样方便将GC分代手机方法扩展至方法区，HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理方法区。

但是这种方向已经逐步在被HotSpot替换中，在JDK1.7的版本中，已经把原本存放在方法区的字符串常量区移出。

至此，JVM规范所声明的内存模型已经分析完毕，下面将分析一些经常提到的与内存相关的区域。

3.6 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外，还有一项信息是常量池(Constant Poll Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

其中字符串常量池属于运行时常量池的一部分，不过在HotSpot虚拟机中，JDK1.7将字符串常量池移到了java堆中，通过下面的实验可以很容易看到。

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import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

/**

 * Created by shining.cui on 2017/7/23.

 */

public class RunTimeContantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {

        List list = new ArrayList();

        int i = 0;

        while(true){

            list.add(String.valueOf(i++).intern());

        }

    }

}
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在jdk1.6中，字符串常量区是在Perm Space中的，所以可以将Perm Spacce设置的小一些，XX:MaxPermSize=10M可以很快抛出异常：java.lang.OutOfMemoryError:Perm Space。

在jdk1.7以上，字符串常量区已经移到了Java堆中，设置-Xms:64m -Xmx:64m，很快就可以抛出异常java.lang.OutOfMemoryError:java.heap.space。

3.7 直接内存

直接内存不是JVM运行时的数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4中引入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道(Chanel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java中的DirectByteBuffer对象作为对这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java对和Native对中来回复制数据。

4.GC算法

4.1 标记-清除算法

最基础的垃圾收集算法是“标记-清除”(Mark Sweep)算法，正如名字一样，算法分为2个阶段：1.标记处需要回收的对象，2.回收被标记的对象。标记算法分为两种:1.引用计数算法(Reference Counting) 2.可达性分析算法(Reachability Analysis)。由于引用技术算法无法解决循环引用的问题，所以这里使用的标记算法均为可达性分析算法。

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如图所示，当进行过标记清除算法之后，出现了大量的非连续内存。当java堆需要分配一段连续的内存给一个新对象时，发现虽然内存清理出了很多的空闲，但是仍然需要继续清理以满足“连续空间”的要求。所以说，这种方法比较基础，效率也比较低下。

4.2 复制算法

为了解决效率与内存碎片问题，复制(Copying)算法出现了，它将内存划分为两块相等的大小，每次使用一块，当这一块用完了，就讲还存活的对象复制到另外一块内存区域中，然后将当前内存空间一次性清理掉。这样的对整个半区进行回收，分配时按照顺序从内存顶端依次分配，这种实现简单，运行高效。不过这种算法将原有的内存空间减少为实际的一半，代价比较高。

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从图中可以看出，整理后的内存十分规整，但是白白浪费一般的内存成本太高。然而这其实是很重要的一个收集算法，因为现在的商业虚拟机都采用这种算法来回收新生代。IBM公司的专门研究表明，新生代中的对象98%都是“朝生夕死”的，所以不需要按照1:1的比例来划分内存。HotSpot虚拟机将Java堆划分为年轻代(Young Generation)、老年代(Tenured Generation），其中年轻代又分为一块Eden和两块Survivor。

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所有的新建对象都放在年轻代中，年轻代使用的GC算法就是复制算法。其中Eden与Survivor的内存大小比例为8:2，其中Eden由1大块组成，Survivor由2小块组成。每次使用内存为1Eden+1Survivor，即90%的内存。由于年轻代中的对象生命周期往往很短，所以当需要进行GC的时候就将当前90%中存活的对象复制到另外一块Survivor中，原来的Eden与Survivor将被清空。但是这就有一个问题，我们无法保证每次年轻代GC后存活的对象都不高于10%。所以在当活下来的对象高于10%的时候，这部分对象将由Tenured进行担保，即无法复制到Survivor中的对象将移动到老年代。

4.3 标记-整理算法

复制算法在极端情况下(存活对象较多)效率变得很低，并且需要有额外的空间进行分配担保。所以在老年代中这种情况一般是不适合的。

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所以就出现了标记-整理(Mark-Compact)算法。与标记清除算法一样，首先是标记对象，然而第二步是将存货的对象向内存一段移动，整理出一块较大的连续内存空间。

4.4 分代清除算法

  1. Java虚拟机规范中规定了对内存的分配，其中程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈属于线程私有数据区，Java堆与方法区属于线程共享数据。
  2. Jdk从1.7开始将字符串常量区由方法区(永久代)移动到了Java堆中。
  3. Java从NIO开始允许直接操纵系统的直接内存，在部分场景中效率很高，因为避免了在Java堆与Native堆中来回复制数据。
  4. Java堆分为年轻代有年老代，其中年轻代分为1个Eden与2个Survior，同时只有1个Eden与1个Survior处于使用中状态，又有年轻代的对象生存时间为往往很短，因此使用复制算法进行垃圾回收。
  5. 年老代由于对象存活期比较长，并且没有可担保的数据区，所以往往使用标记-清除与标记-整理算法进行垃圾回收。

虚拟机中的共划分为三个代：年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和持久代（Permanent Generation）。其中持久代主要存放的是Java类的类信息，与垃圾收集要收集的Java对象关系不大。年轻代和年老代的划分是对垃圾收集影响比较大的。

年轻代:

所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。年轻代分三个区。一个Eden区，两个Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区（两个中的一个），当这个Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor去也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来 对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor去过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。

年老代:

在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

持久代:

用于存放静态文件，如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过-XX:MaxPermSize=<N>进行设置。

4 垃圾收集器

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如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

虽然我们对各个收集器进行比较，但并非要挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现，更加没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。试想一下：如果有一种四海之内、任何场景下都适用的完美收集器存在，那么我们的 HotSpot 虚拟机就不会实现那么多不同的垃圾收集器了。

4.1 Serial 收集器

Serial（串行）收集器收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。大家看名字就知道这个收集器是一个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（ "Stop The World" ），直到它收集结束。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。 JVM内存模型与GC算法（简介）

虚拟机的设计者们当然知道 Stop The World 带来的不良用户体验，所以在后续的垃圾收集器设计中停顿时间在不断缩短（仍然还有停顿，寻找最优秀的垃圾收集器的过程仍然在继续）。

但是 Serial 收集器有没有优于其他垃圾收集器的地方呢？当然有，它简单而高效（与其他收集器的单线程相比）。Serial 收集器由于没有线程交互的开销，自然可以获得很高的单线程收集效率。Serial 收集器对于运行在 Client 模式下的虚拟机来说是个不错的选择。

4.2 ParNew 收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为（控制参数、收集算法、回收策略等等）和 Serial 收集器完全一样。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。 JVM内存模型与GC算法（简介）

它是许多运行在 Server 模式下的虚拟机的首要选择，除了 Serial 收集器外，只有它能与 CMS 收集器（真正意义上的并发收集器，后面会介绍到）配合工作。

并行和并发概念补充：

  • 并行（Parallel） ：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。

  • 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行，可能会交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集器运行在另一个 CPU 上。

4.3 Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器也是使用复制算法的多线程收集器，它看上去几乎和ParNew都一样。 那么它有什么特别之处呢？

-XX:+UseParallelGC 

    使用 Parallel 收集器+ 老年代串行

-XX:+UseParallelOldGC

    使用 Parallel 收集器+ 老年代并行

Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU）。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。 Parallel Scavenge 收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量，如果对于收集器运作不太了解的话，手工优化存在困难的话可以选择把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。 JVM内存模型与GC算法（简介）

4.4.Serial Old 收集器

Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途：一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用，另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。

4.5 Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。使用多线程和“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。

4.6 CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤：

  • 初始标记： 暂停所有的其他线程，并记录下直接与 root 相连的对象，速度很快 ；
  • 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。

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从它的名字就可以看出它是一款优秀的垃圾收集器，主要优点：并发收集、低停顿。但是它有下面三个明显的缺点：

  • 对 CPU 资源敏感；
  • 无法处理浮动垃圾；
  • 它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。

4.7 G1 收集器

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.

被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备一下特点：

  • 并行与并发：G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个 CPU（CPU 或者 CPU 核心）来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作，G1 收集器仍然可以通过并发的方式让 java 程序继续执行。
  • 分代收集：虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆，但是还是保留了分代的概念。
  • 空间整合：与 CMS 的“标记--清理”算法不同，G1 从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。
  • 可预测的停顿：这是 G1 相对于 CMS 的另一个大优势，降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点，但 G1 除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内。

G1 收集器的运作大致分为以下几个步骤：

  • 初始标记
  • 并发标记
  • 最终标记
  • 筛选回收

G1 收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来)。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了 G1 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率（把内存化整为零）。

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