JVM（Java Virtual Machine）垃圾收集器是Java虚拟机中的一个重要组件，负责自动管理Java堆内存中的对象。垃圾收集器的主要任务是找出那些不再被程序使用的对象，并释放它们占用的内存，以便为新的对象分配空间。这个过程被称为垃圾收集（Garbage Collection，GC）。

  首先我们了解各种垃圾收集器的原理。以及如何通知参数命令设置垃圾收集器，其次通过分析解读GC日志，对垃圾收集器进一步的认识。

一、Serial垃圾收集器(串行垃圾收集器)

  这是一个单线程的收集器，使用一个线程去完成垃圾收集工作。在进行垃圾收集时，它会暂停所有的应用线程（Stop-The-World），直到收集完成。这种收集器适合单线程环境，特别是客户端模式下的JVM。

测试代码：

    public class TestGC {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            List<Object> list = new ArrayList<Object>();
            while (true) {
                int sleep = new Random().nextInt(200);
                if (System.currentTimeMillis() % 2 == 0) {
                    list.clear();
                } else {
                    for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                        Properties properties = new Properties();
                        properties.put("key_" + i, "value_" + System.currentTimeMillis() + i);
                        list.add(properties);
                    }
                }
                Thread.sleep(sleep);
            }
        }
    }

参数设置：

-XX:+UseSerialGC  指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器
-XX:+PrintGCDetails 打印垃圾回收的详细信息

为了测试GC，将堆的初始和最大内存都设置为16M
‐XX:+UseSerialGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m

启动程序，可以看到下面信息：

日志分析：

DefNew：表示使用的是串行垃圾收集器。

0.0000107：表示GC所用的时间，单位为毫秒。

二、并行垃圾收集器

2.1 ParNew垃圾收集器

  ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。

参数设置：

-XX:+UseParNewGC 设置年轻代使用ParNew回收器

-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

由以上信息可以看出，使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。

2.2 ParallelGC垃圾收集器
  ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵活和高效。

参数设置：

-XX:+UseParallelGC 年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。

-XX:+UseParallelOldGC 年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。

-XX:MaxGCPauseMillis 
     设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒
     需要注意的时，ParallelGC为了达到设置的停顿时间，可能会调整堆大小或其他的参数，如果堆的大小设置的较小，就会导致GC工作变得很频繁，反而可能会影响到性能。

-XX:GCTimeRatio
    设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，公式为1/(1+n)。
    它的值为0~100之间的数字，默认值为99，也就是垃圾回收时间不能超过1%

-XX:UseAdaptiveSizePolicy
    自适应GC模式，垃圾回收器将自动调整年轻代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。
    一般用于，手动调整参数比较困难的场景，让收集器自动进行调整。

-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

可以看出，年轻代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。

三、CMS垃圾收集器

  CMS全称ConcurrentMarkSweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。

参数设置：

-XX:+UseConcMarkSweepGC 指定使用CMS垃圾收集器

CMS垃圾回收器的执行过程如下：

①初始化标记(CMS-initial-mark),标记root，会导致stw。

②并发标记(CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行。

③预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行。

④重新标记(CMS-remark)，会导致stw。

⑤并发清除(CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行。

⑥调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片。

⑦并发重置状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行。

-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

日志分析CMS的执行过程

1.第一步，初始标记

[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 7796K(10944K)] 8485K(15872K), 0.0004397 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

2.第二步，并发标记

[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.005/0.005 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

3.第三步，预处理

[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

4.重新标记

[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 2840 K (4928 K)][Rescan (parallel) , 0.0036107 secs][weak refs processing, 0.0002206 secs][class unloading, 0.0007605 secs][scrub symbol table, 0.0005148 secs][scrub string table, 0.0001229 secs][1 CMS-remark: 7796K(10944K)] 10636K(15872K), 0.0054019 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 

5.并发清理

[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.004/0.007 secs] [Times: user=0.01 sys=0.02, real=0.01 secs] 

6.重置

[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

四、G1垃圾收集器
  G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：
1.第一步，开启G1垃圾收集器
2.第二步，设置堆的最大内存
3.第三步，设置最大的停顿时间

G1中提供了三种模式垃圾回收模式，YoungGC、MixedGC和FullGC，在不同的条件下被触发。

原理说明：
  G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。
  这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。

  在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区
域，完成了清理工作。

  这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。

  如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对
象，就会对垃圾收集器造成负面影响。
  为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动FullGC。

YoungGC
  YoungGC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。

  Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。

  Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

RememberedSet（已记忆集合）
  在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是RememberedSet，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

  每个Region初始化时，会初始化一个RSet，该集合用来记录并跟踪其它Region指向该
Region中对象的引用，每个Region默认按照512Kb划分成多个Card，所以RSet需要记录的东西应该是xxRegion的xxCard。

MixedGC

  越来越多的对象晋升到老年代oldregion时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即MixedGC，该算法并不是一个OldGC，除了回收整个Young
Region，还会回收一部分的OldRegion，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以选择哪些oldregion进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是MixedGC并不是FullGC。

  MixedGC什么时候触发？由参数-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n决定。默
认：45%，该参数的意思是：当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。

它的GC步骤分2步：
1.全局并发标记（globalconcurrentmarking）

2.拷贝存活对象（evacuation）

①.全局并发标记
1.初始标记（initialmark，STW）
  标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代GC，会产生全局停顿。

2.根区域扫描（rootregionscan）
  G1GC在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。

  该阶段与应用程序（非STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次STW年轻代垃圾回收。

3.并发标记（ConcurrentMarking）
  G1GC在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被STW年轻代垃圾回收中断。

4.重新标记（Remark，STW）
  该阶段是STW回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。

5.清除垃圾（Cleanup，STW）
  清点和重置标记状态，该阶段会STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待evacuation阶段来回收。

②.拷贝存活对象
  Evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分Region里的活对象拷贝到另一部分Region 中，从而实现垃圾的回收清理。

参数设置：

-XX:+UseG1GC  使用G1垃圾收集器

-XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认值是200毫秒。

-XX:G1HeapRegionSize=n 设置的G1区域的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间。目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。

-XX:ParallelGCThreads=n
设置STW工作线程数的值。将n的值设置为逻辑处理器的数量。n的值与逻辑处理器的数量相同，最多为8。

-XX:ConcGCThreads=n
设置并行标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数(ParallelGCThreads)的1/4左右。

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
设置触发标记周期的Java堆占用率阈值。默认占用率是整个Java堆的45%。

‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=100 ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xmx256m

GC日志分析：
1.扫描根节点

[Ext Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.2, Diff: 0.2, Sum: 1.2]

2.更新RS区域所消耗的时间

[Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]

3.对象拷贝

[Object Copy (ms): Min: 0.1, Avg: 1.0, Max: 1.2, Diff: 1.1, Sum: 8.3]

4.清空CardTable

 [Clear CT: 0.1 ms]

5.选取CSet

[Choose CSet: 0.0 ms]

6.弱引用、软引用的处理耗时

[Ref Proc: 0.4 ms]

7.弱引用、软引用的入队耗时

[Ref Enq: 0.0 ms]

8.大对象区域注册耗时

[Humongous Register: 0.0 ms]

9.大对象区域回收耗时

[Humongous Reclaim: 0.0 ms]

10.年轻代的大小统计

[Eden: 12.0M(12.0M)->0.0B(12.0M) Survivors: 0.0B->2048.0K Heap: 12.0M(256.0M)->3384.0K(256.0M)]

G1垃圾收集器使用建议
①.年轻代大小
  1.避免使用-Xmn选项或-XX:NewRatio等其他相关选项显式设置年轻代大小。
  2.固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。

②.暂停时间目标不要太过严苛
  1.G1GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间。
  2.评估G1GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量。

最后：垃圾收集器使用范围：

1.新生代的收集器包括：
Serial
PraNew
Parallel Scavenge

2.老年代的收集器包括：
Serial Old
Parallel Old
CMS

3.回收整个Java堆(新生代和老年代)
G1收集器