深入JVM学习之垃圾收集器
前言
如果说垃圾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。Java虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大差别，并且一般都会提供参数供用户根据自己的应用特点和要求组合出各个年代所使用的的收集器。这里讨论的是HotSpot虚拟机，
Serial收集器
Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器。这个收集器是一个单线程的收集器，但它的单线程的意思不仅仅说明他只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到它收集结束（STW）。
它是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。虽然单线程，但是它也有由于其他收集器的地方：简单而高效，对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有现成交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。
ParNew收集器
ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器完全一样。
ParNew收集器除了多线程之外，其他与Serial收集器相比并没有太多的创新之处，但是它却是许多运行在Server模式下的虚拟机首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关但是很重要的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作。
Parallel Scavenge收集器
Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，他也是使用复制算法的收集器，也是并行的多线程收集器。
Parallel Scavenge收集器的特点是他的关注点与其他收集器不同，其他收集器关注点是尽可能地缩短垃圾收集用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间)，虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。
停顿时间越短就约适合需要与用户交互的程序，良好的相应速度能提升用户体验，而高吞吐量则可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。
GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间换取得。
Parallel Scavenge收集器也经常被称为吞吐量优先收集器，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适或者最大的吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略。如果读者对于收集器运作原来不太了解，手工优化存在困难的时候，使用Parallel Scavenge收集器配合自适应策略，把内存管理的调优任务交给虚拟机去完成是一个不错的选择。
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。
这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在server模式下，那么它还有两大用途；一个用途实在JDK1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用；另一种用户就是作为CMS收集器的后背预案，在Concurrent Mode Failure时使用。
Parallel old收集器
Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和标记-整理算法。
由于组合收集器的原因，直到Parallel Old收集器出现后，吞吐量优先收集器终于有了比较名副其实的应用组合，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加paraller Old收集器。
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。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。
CMS收集器是基于标记-清除算法实现的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括
- 初始标记
- 并发标记
- 重新标记
- 并发清除
其中，初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要Stop The World。初始标记仅仅只是 标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段是进行GC Roots Tracing的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作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稍长一些，但远比并发标记的时间短。
由于整个过程中耗时最长的并发笔记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。
CMS的主要优点已经在名字上体现出来了；并发收集、低停顿，Sun公司的一些官方文档中也称之为并发低停顿收集器。但是CMS还远达不到完美的程度，他有以下3个缺点
- CMS对CPU资源非常敏感：在并发阶段，他虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用一部分线程（或者说CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量降低
- CMS收集器无法处理浮动垃圾：由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理掉他们，只好留待下一次GC时在清理掉。这一部分垃圾就被称为浮动垃圾。
- 收集结束会有大量的垃圾碎片产生：CMS是基于标记-清除算法实现的收集。
G1收集器
G1收集器是当今收集器技术发展最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予他的使命是在未来替换CMS收集器。与其他GC收集器相比，G1具备如下特点
- 并行和并发： G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU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收集器任然可以通过并发的方式让Java程序继续执行。
- 分代收集：与其他收集器一样，分代概念在G1依然得以保留。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，但他能都采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。‘
- 空间整合：与CMS的标记整理算法不同，G1 从整体上来看是基于标记-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，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。
- 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，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一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。
在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆内存布局就与其他收集器有很大差别，他将占整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域，虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不在是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤：
- 初始标记
- 并发标记
- 最终标记
- 筛选回收