什么是垃圾回收及有哪些垃圾收集器？

1. 垃圾回收原理

1.1. 什么是垃圾？

垃圾是指不再被使用的对象，也就是死亡的对象。

1.2. 为什么需要垃圾回收？

由于内存空间是有限的，需要垃圾回收来释放内存空间，以保证程序的正常运行。

1.3. 如何找到垃圾？

• 引用计数法：当对象被引用时，其引用计数器加一；当去除对象的引用时，引用计数器减一。当引用计数器的值为零时，代表该对象是垃圾对象。引用计数法不能解决循环依赖的问题。
• 可达性分析：当对象不能被GC Roots直接或间接地引用时，代表该对象是垃圾对象。GC Roots搜索走过的路径被称为引用链。

如上图所示，可达性分析结果如下：

• 对象R1，R2是GC Roots，故存活。
• 对象A被R1直接引用，故存活。
• 对象B，F并未被R1或R2直接或间接地引用，故死亡。
• 对象C被R2直接引用，及被R1间接引用，故存活。
• 对象D被R1间接引用，其引用链为R1 → A → D，故存活。

1.4. 哪些对象可以作为GC Roots？

• 虚拟机栈的栈帧中局部变量表所引用的对象。
• 本地方法栈中JNI引用的对象。
• 方法区中类静态属性引用的对象。
• 方法区中常量引用的对象。
• 虚拟机内部的引用。

1.5. 有哪些对象引用？

• 强引用^[1]（Strong Reference），不会发生垃圾回收直至发生OOM。
• 软引用（Soft Reference），内存不足时会被垃圾回收，适合用作缓存。
• 弱引用（Weak Reference），在下次GC时会被垃圾回收，如ThreadLocal的实现。
• 虚引用（Plantom Reference），在下次GC时会被垃圾回收，用作回调机制。

1.6. ThreadLocal为什么使用弱引用？

ThreadLocal是指线程本地变量，即为每个线程提供一份变量副本。本质上是在每个线程中都维护了一个ThreadLocalMap，内部Entry的键reference是ThreadLocal，内部Entry的值value是ThreadLocal对应的值。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

• ThreadLocal使用的引用是弱引用，当客户端的强引用不再引用时，会在下次GC时会被回收，从根本上避免了内存泄漏。
• ThreadLocal对应的值使用的是强引用，在使用完后需要手动调用ThreadLocal#remove移除引用，来避免发生内存泄漏。

2. 垃圾收集器

2.1. 有哪些垃圾回收算法？

• 标记-清除算法（Mark-Sweep）。
  • 步骤：根据可达性分析算法标记垃圾对象，并清除垃圾对象。
  • 利弊：会产生内存碎片。
  • 适用场景：由于需要对垃圾对象进行标记和清除，适合垃圾对象较少的情况，即老年代。
• 标记-复制算法（Copying）。
  • 步骤：根据可达性分析算法标记存活对象，并将其复制到另一区域，最后对原先的整个区域进行清除。
  • 利弊：不会产生内存碎片，但会浪费一部分的内存空间。
  • 适用场景：由于需要复制存活对象，适合存活对象校少的情况，即新生代。
• 标记-整理算法（Mark-Compact）。
  • 步骤：根据可达性分析算法标记存活对象，并将存活对象移动到一端，最后清除剩余内存区域。
  • 利弊：不会产生内存碎片，但整理步骤是负重式的。
  • 适用场景：由于需要对垃圾对象进行标记和清除，适合垃圾对象较少的情况，即老年代。

2.2. 什么是Stop The World？什么是safe point？

STW（Stop The World，STW）是指在垃圾回收的过程中，会在安全点（Safe points）处暂停用户线程，避免产生新的垃圾对象。安全点主要在以下位置设置：

• 循环的末尾。
• 方法返回前。
• 调用方法的call之后。
• 抛出异常的位置。

2.3. 有哪些垃圾收集器？

根据弱分代假说，新生代中存活对象较少，适合使用标记-复制算法。新生代的垃圾收集器有：

• Serial^[2]，基于标记-复制算法的串行新生代垃圾收集器，会STW。
• Parallel Scavenge^[3]，基于标记-复制算法的并行新生代垃圾收集器，会STW，吞吐量优先。
• ParNew，基于标记-复制算法的并行新生代垃圾收集器，会STW，Serial的多线程版。

根据强分代假说，老年代中垃圾对象较少，适合使用标记-清除或标记-整理算法。老年代的垃圾收集器有：

• Serial Old^[2]，基于标记-整理算法的串行老年代垃圾收集器，会STW。
• Parallel Old^[3]，基于标记-整理算法的并行老年代垃圾收集器，会STW，吞吐量优先。
• CMS^[4]，基于标记-清除算法的并发老年代垃圾收集器，减少STW，响应时间优先。

相比于传统的垃圾收集器，整堆垃圾收集器取消了物理上对新生代和老年代的划分，而是逻辑上使用Region代替Eden、Survivor和Old等。整堆的垃圾收集器有：

• G1^[5]，全局采用标记-整理算法，局部使用标记-复制算法的整堆垃圾收集器，减少STW，关注吞吐量和低延迟，适用于大内存的服务端应用。
• ZGC，基于标记-整理算法的整堆垃圾收集器，关注低延迟。

虚拟机参数：

• -XX:+UseSerialGC：指定垃圾收集器为Serial搭配Serial Old。
• -XX:+UseParallelGC：指定垃圾收集器为Parallel Scavenge搭配Serial Old。
• -XX:+UseParallelOldGC：指定垃圾收集器为Parallel Scavenge搭配Serial Old。
• -XX:+UseParNewGC：指定垃圾收集器为ParNew搭配Serial Old，于JDK9移除。
• -XX:+UseConcMarkSweepGC：指定垃圾收集器为ParNew搭配CMS，加Serial Old；
• -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseParNewGC：指定垃圾收集器为Serial搭配CMS，于JDK9移除。
• -XX:+UseG1GC：指定垃圾收集器为G1。
• -XX:+UseZGC：指定垃圾收集器为ZGC。

2.4. CMS垃圾收集器垃圾回收的过程是怎样的？

1. 初始标记，标记GC Roots对象，耗时短，会STW；
2. 并发标记，标记GC Roots引用链上的对象，耗时长，不会STW；
3. 重新标记，修复并发标记期间新产生的对象，会STW；
4. 并发清除，清除垃圾对象，不会STW。

2.5. G1垃圾收集器垃圾回收的过程是怎样的？

1. 初始标记，标记GC Roots对象，耗时短，会STW；
2. 并发标记，标记GC Roots引用链上的对象，耗时长，不会STW；
3. 最终标记，修复并发标记期间新产生的对象，会STW；
4. 筛选回收，对各个Region的回收价值和成本排序，根据用户期望GC停顿时间确定回收计划，会STW。

3. 参考文档