分代收集理论
当前JVM垃圾收集器基本上都采用分代收集算法，根据对象存活周期的不同将java堆分为新生代与老年代
新生代中对象存活率低每次垃圾收集时都会有大量(近99%)对象死去。可以使用复制算法，只需要复制少量的对象就可以完成新生代的垃圾收集。
老年代中对象存活率高，没有额外空间对老年代对象进行担保，所以必须选择标记清除或者标记整理算法进行垃圾收集。
标记清除或标记整理比复制算法慢10倍以上。
简述为：生代存活率低，适合复制算法（快）；老年代存活率高，只能用标记-清除/整理。
垃圾收集算法
标记-复制算法
复制算法将内存划分为大小相等的两块区域，每次只使用其中一块。当已使用的这块区域内存耗尽时，触发GC：将存活的对象依次复制到另一块空闲区域中，然后一次性清空原先的整块区域。
优点：内存规整，无碎片；实现简单，运行高效（只需复制少量存活对象，无需处理死亡对象）采用指针碰撞方式分配内存，效率高。
缺点：内存利用率低，任何时候都有一半内存处于闲置状态，可用内存仅为总容量的一半
标记-清除算法
算法分为“标记”和“清除”阶段。首先在内存中标记存活的对象，然后统一清除未标记的对象，或者先标记需要回收的对象，在统一清除标记的对象。
优点：不需要额外内存空间，实现简单，逻辑清晰
缺点：
效率低：标记和清除都需要遍历所有对象，耗时较长
内存碎片：清除后产生大量不连续的内存碎片，导致后续无法为大对象分配连续空间，可能提前触发另一次GC
标记-整理算法
标记内存中存活的对象，将所有存活对象向内存空间的一端移动，使其紧密排列，然后直接清理掉边界以外的所有内存。
优点：
内存规整：消除内存碎片，为大对象分配连续空间提供保证
分配简单：采用指针碰撞方式分配内存，效率高
缺点：
效率低：比标记-清除多了一个“移动/整理”对象的步骤，需要更新所有引用关系
停顿时间长：整理阶段需要暂停所有用户线程（Stop-The-World）
划分内存的方式：
指针碰撞：堆内存被一块“分界指针”一分为二：一侧是已使用的内存（存活对象），另一侧是空闲内存（可用空间）。分配新对象时，只需将分界指针向空闲方向移动一段与对象大小相等的距离即可
空闲列表：JVM 维护一个列表，记录哪些内存块是空闲的。分配对象时，需要从列表中找到一个足够大的空闲块分配给对象，并更新列表记录。
垃圾收集器
1、Serial收集器 （-XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC）
Serial收集器是JVM中历史最悠久的垃圾收集器，采用单线程工作，使用复制算法
工作模式：垃圾收集时，仅使用一个线程执行GC在此期间，必须暂停所有用户线程（Stop-The-World，STW），直到垃圾收集结束.
优点:
简单高效：单线程避免了多线程的同步开销。
内存占用低：不需要维护复杂的数据结构。
单核CPU性能最优：在单核或少量核心环境中，无上下文切换开销，吞吐量反而最高。
缺点：
STW时间长：随着堆内存增大，停顿时间线性增长
无法利用多核CPU：在多核服务器上浪费硬件资源
2、Serial Old收集器
Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，同样采用单线程工作，使用标记-整理算法。
用途：
1、在JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用
2、是作为CMS收集器的后备方案，虽然慢，但能保证程序不因内存耗尽而崩溃。
3、Parallel Scavenge收集器 （-XX:+UseParallelGC,-XX:+UseParallelOldGC）
Parallel Scavenge收集器采用多线程进行垃圾回收。默认收集线程数与cpu核数相同。采用复制算法。
特点：Parallel Scavenge收集器的核心关注点是吞吐量（高效率利用CPU），而CMS等收集器更关注用户线程停顿时间（提升用户体验），Parallel Scavenge追求的是整体效率最高，而不是单次停顿最短。
优点：
高吞吐量：核心优势，最大化CPU用于用户代码的时间
多线程并行：充分利用多核CPU，减少GC总耗时
内存规整：采用复制算法，无碎片问题
缺点：
停顿时间长：每次GC必须STW，且单次停顿时间较长
响应延迟不可控：关注吞吐量而非延迟，不适合交互式应用
不能与CMS搭配：设计目标冲突，无法用于低延迟组合
4、Parallel Old收集器
Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本。使用多线程进行垃圾收集，采用标记-整理算法。
JDK8默认的新生代和老年代收集器：Parallel Scavenge收集器 + Parallel Old收集器
5、ParNew收集器 (-XX:+UseParNewGC)
ParNew收集器其实跟Parallel收集器很类似，都是多线程新生代收集器，采用复制算法，默认线程数都与CPU核数相关。
ParNew是唯一能与CMS配合的多线程新生代收集器。在JDK 8及以前，如果需要在Server模式下实现低延迟，ParNew+CMS是标配组合。当然，JDK 9后CMS和ParNew都被废弃，官方推荐用G1替代。
Parallel Scavenge和ParNew有什么区别？
两者都是多线程新生代收集器，都使用复制算法，但关注点不同：
ParNew是为配合CMS设计的，追求低停顿；
Parallel Scavenge追求高吞吐量，不能与CMS搭配，只能与Parallel Old组合。
6、CMS收集器(-XX:+UseConcMarkSweepGC)
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，核心目标是获取最短回收停顿时间。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。
特点：
1、垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作
2、非常适合注重用户体验的应用（Web服务、GUI程序等）
3、使用标记-清除算法实现
垃圾收集过程：
1、初始标记(STW)：暂停所有的其他线程(STW)，并记录下gc roots直接引用对象，速度很快。
2、并发标记：从gc roots直接关联对象遍历整个对象图，过程耗时较长，可以与用户线程同时运行，但可能导致已标记对象状态发生改变（增量更新解决）。
3、重新标记(STW)：修正并发标记用户线程运行时导致已标记对象发生改变的对象(主要处理漏标问题)，停顿时间比初始标记稍长，但比并发标记短。主要使用三色标记增量更新算法作重新标记。
4、并发清理：GC线程与用户线程同时运行，GC线程开始对未标记的区域清理，此阶段如果有新增对象会被标记为黑色不做任何处理
5、并发重置：重置本次GC过程中的标记数据，为下一次GC做准备。
CMS 的默认晋升阈值是 6
优点：
1、并发收集：GC线程与用户线程大部分时间同时工作，最耗时的并发标记和并发清理阶段都不需要STW。
2、低停顿：只有初始标记和重新标记两个短暂STW阶段，用户体验基本无感知卡顿。
缺点：
1、对CPU资源敏感：并发阶段GC线程与用户线程争抢CPU，导致应用吞吐量下降
2、无法处理浮动垃圾：在并发标记和并发清理阶段用户线程持续产生新垃圾，这些浮动垃圾本次GC无法处理，只能等到下一次GC再清理
3、大量空间碎片：使用“标记-清除”算法会产生大量空间碎片（通过 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 让JVM在标记清除后做整理（但会增加停顿））
4、并发模式失败：执行过程存在不确定性，上一次GC还没执行完，新GC又被触发(垃圾回收速度跟不上垃圾产生速度)，此时降级为 Serial Old 进行Full GC（STW + 单线程整理 → 超长停顿），通过-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数降低老年代使用率阈值（如75%），尽早触发CMS GC，避免回收不及时.
什么是Concurrent Mode Failure
CMS并发回收时，老年代垃圾产生速度超过回收速度，导致老年代被填满，此时CMS会降级为Serial Old进行单线程Full GC，导致超长STW停顿。
避免并发模式失败方法
降低老年代使用率阈值更早触发FullGC增加GC频率。
增大老年代空间(堆内存) 降低GC频率。
增加ConcGCThreads 加快并发回收速度但会占用更多CPU。
减少重新标记停顿，间接帮助但会增加一次Minor G。
启用碎片整理，避免大对象晋升失败，但会增加Full GC停顿。
相关核心参数
核心开关参数
- -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms，会自动启用ParNew作为新生代收集器
- -XX:ConcGCThreads：设置并发GC线程数，默认值取决于CPU核数，通常为(ParallelGCThreads+3)/4
碎片整理参数：
3.-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少内存碎片，但会增加停顿时间）
4. -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认0（每次Full GC后都压缩），设为n表示每n次Full GC后压缩1次
触发时机参数
5. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction:当老年代使用达到该比例时会触发FullGC（默认是92，这是百分比）
6. -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：不指定时JVM会动态调整；指定后固定使用CMSInitiatingOccupancyFraction的值
STW优化参数
7. -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：CMS重新标记前执行一次Minor GC，降低标记阶段开销（CMS 80%的GC耗时在标记阶段）
8. -XX:+CMSParallellnitialMarkEnabled：表示在初始标记的时候多线程执行，缩短STW
9. -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：在重新标记的时候多线程执行，缩短STW
三色标记
在并发标记期间用户线程还在运行，对象引用可能随时变化，会导致多标与漏标问题。
**多标：**原本应回收的对象被标记为存活（浮动垃圾）。
**漏标：**原本存活的对象未被标记。
三色标记算法本身并不解决漏标问题，它只是描述了对象的状态。解决漏标需要配合写屏障 + 增量更新（CMS）或SATB（G1）。
三色标记算法在GC Roots可达性分析遍历对象过程中，按照“是否已访问过”将对象标记为三种颜色：
黑色：对象已被GC访问，且所有引用都已扫描，他是安全存活，黑色对象不可能直接指向白色对象（必须经过灰色）。
灰色：对象已被GC访问，但至少还有一个引用未扫描，处于“正在处理”状态，是扫描的中间节点。
白色：对象尚未被GC访问，初始全是白色，分析结束后仍为白色则是不可达并可以回收。
多标-浮动垃圾
**浮动垃圾：**在并发标记（并发清理）过程中产生的，本应回收但本轮GC未回收的内存对象。
主要来源
1、GC Root失效导致的浮动垃圾
2、并发期间新产生的对象
漏标-读写屏障
漏标会导致被引用的对象被当成垃圾误删除，这是严重bug，必须解决
解决方式：
1： 增量更新（Incremental Update）
黑色对象一旦新引用了白色对象，它就变回灰色对象（需要重新扫描灰色对象所有引用，重新标记 STW 较长）
2：原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）
灰色对象即使删除了对白色对象的引用，GC 仍基于开始时的快照认为这个引用存在，白色对象不会被误删。
注意：白色对象中可能包含本该回收的垃圾，成为浮动垃圾，留到下一轮 GC 再清理。
以上无论是对引用关系记录的插入还是删除， 虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。
写屏障
定义：JVM在对象引用赋值操作前后插入的一段额外代码，用于维护GC所需的信息。
写屏障实现SATB（G1使用）
核心思想：记录被删除的引用，保证GC开始时所有存活对象在本轮都能被标记到。
写屏障实现增量更新（cms使用）
核心思想：记录新增的引用，保证并发标记期间新建立的引用关系不会导致漏标。
SATB和增量更新有什么区别？
两者都是解决并发标记漏标问题的写屏障实现。SATB（G1使用） 记录灰色对象删除的引用，以快照保证存活，但会产生浮动垃圾；增量更新（CMS使用） 记录黑色对象新增的引用，让黑色对象变灰重新扫描，无浮动垃圾但重新标记STW较长。SATB换来了更短的重新标记停顿，代价是浮动垃圾。
为什么G1用SATB？CMS用增量更新？
记忆集与卡表
为什么需要记忆集？
在新生代GC（Minor GC）做GC Roots可达性扫描时，可能会碰到老年代对象引用新生代对象的情况（跨代引用）。如果为了找出这些引用而扫描整个老年代，效率极低
记录集（Remember Set）：一种抽象数据结构，用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合。避免全堆扫描，只扫描有跨代引用的区域。
**卡表（Card Table）：**记忆集的一种具体实现，将内存划分为固定大小的卡页（Card Page），用字节数组记录每个卡页是否存在跨代引用。标记哪些内存块包含跨代引用，实现精细化管理
什么是卡表？
卡表是HotSpot中实现记忆集的一种方式，用一个字节数组记录跨代引用信息。每个字节对应512字节的卡页，如果卡页内存在老年代指向新生代的引用，则标记为“脏”。GC时只需扫描脏卡页中的对象，避免扫描整个老年代。卡表通过写屏障维护——发生跨代引用赋值时，写屏障将对应卡页标记为脏。
所有涉及部分区域收集（Partial GC）的垃圾收集器（如G1、ZGC）都会面临相同的问题。
6、G1收集器(-XX:+UseG1GC)
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（可预测停顿），用可预测的停顿（通过设定MaxGCPauseMillis）替代CMS的“尽可能短但不可控”的停顿。
同时具备高吞吐量性能特征（平衡低延迟与高吞吐。
G1 内存布局核心特征
1. Region 划分
- Java 堆被划分为多个大小相等的独立区域（Region）
- JVM 最多支持 2048 个 Region（Region 大小 = 堆大小 / 2048（如 4GB 堆 → 2MB/Region））
- 可通过 -XX:G1HeapRegionSize 手动指定Region大小，但推荐使用默认计算方式
2. 分代与 Region
- 保留年轻代和老年代的概念，但不再是物理连续的空间
- 年轻代和老年代都是 Region 的集合（可以不连续）
- Region 的角色是可以动态变化的（年轻代 ↔ 老年代），一个 Region 可以从年轻代变为老年代或者老年代变为年轻代（GC 后）。
3. 年轻代大小
- 默认初始占比：5%（如 4GB 堆 → 约 200MB → 约 100 个 Region）可通过 -XX:G1NewSizePercent 调整初始占比
- 运行时 JVM 会动态增加年轻代 Region 数量，但是最大对堆内存占比：不超过 60%（可通过 -XX:G1MaxNewSizePercent 调整）
- 年轻代内部仍遵循Eden : Survivor = 8 : 1 : 1，假设年轻代有 1000 个 Region：Eden 800 个，S0 100 个，S1 100 个
4.G1中大对象的处理（Humongous Region）
- 阈值：对象大小 > 50%单个Region，例如 ：Region大小为2MB ，则对象 > 1MB 即为大对象。
- 大对象不进入老年代Region，而是放入 Humongous区，如果一个对象非常大> 100% Region，可能会横跨多个连续的Humongous Region。
- Humongous区专门存放短期巨型对象，不用直接进老年代，节约老年代空间，避免因老年代空间不够而导致的GC开销。
- Full GC 时，除了收集年轻代和老年代，也会将Humongous区一并回收。
垃圾收集过程：
- 初始标记(STW)：暂停所有用户线程，并记录下gc roots直接引用对象，速度很快。(同cms)
- 并发标记：从gc roots直接关联对象遍历整个对象图，过程耗时较长，可以与用户线程同时运行，但可能导致已标记对象状态发生改变。
- 最终标记(STW)：修正并发标记用户线程运行时导致已标记对象发生改变的对象(主要处理漏标问题)，停顿时间比初始标记稍长，但比并发标记短。主要使用三色标记原始快照算法作重新标记。
- 筛选回收(STW)：对各个 Region 的回收价值和回收成本进行排序，根据用户期望的 GC 停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）制定回收计划。
筛选回收阶段
- 回收示例：假设老年代有 1000 个 Region 满了，预期停顿时间200ms，通过历史成本计算回收 800 个 Region 刚好需要 200ms，所以本次只=回收这 800 个 Region（放入 Collection Set）。
- 本阶段会 STW（停顿用户线程），虽然理论上可以并发，但 G1 选择了 STW 以大幅提高收集效率，时间可控(用户可指定)，停顿影响有限。
- 使用复制算法，将 Region 中的存活对象复制到另一个 Region，基本无内存碎片。
优先列表（Garbage-First ）
G1 会维护一个优先列表，按回收价值与成本比排序，每次根据用户指定的回收时间优先选择回收价值最大的 Region回收。
筛选回收阶段总结：
G1 会按回收价值/成本比对 Region 排序，然后根据用户设定的GC 停顿时间选择本次回收的 Region 集合。例如，目标停顿 200ms，通过历史数据预测回收 800 个 Region 刚好满足，就只回收这 800 个。这个阶段虽然会 STW，但时间可控（几十到几百毫秒）。回收算法采用复制算法，将存活对象复制到其他 Region，因此无内存碎片，不像 CMS 需要额外整理。
G1 垃圾收集分类
1、Young GC（年轻代收集）
触发机制：计算回收时间接近设定的停顿目标时才触发 Young GC。
G1会计算当前Eden区回收大概需要多少时间，如果回收时间远小于用户期望的 GC 停顿时间，继续增加年轻代 Region 数量存放新对象，不马上做 Young GC。
2、Mixed GC（混合收集）不是 Full GC
触发条件：老年代堆占用率达到 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent（默认 45%）
回收范围：所有年轻代 Region、部分老年代 Region（根据停顿时间确定优先级）、大对象区（Humongous）
算法：主要使用复制算法，将存活对象拷贝到其他 Region
失败降级：拷贝过程中如果没有足够的空 Region 承载存活对象会 触发 Full GC
3、Full GC（全局收集）
触发条件：Mixed GC 复制失败 / 分配失败。
工作方式停止所有用户程序（STW），单线程进行标记、清理和压缩整理。整理出空闲 Region 供后续 Mixed GC 使用，这个过程非常耗时（秒级甚至分钟级）。
G1收集器参数设置
1、核心开关与基础配置
- -XX:+UseG1GC : 使用G1收集器，JDK 9+ 默认开启
- -XX:ParallelGCThreads : 指定GC工作的线程数量，默认值取决于 CPU 核数
- -XX:G1HeapRegionSize : 指定Region分区大小，范围 1MB~32MB，必须是 2 的 N 次幂，默认将整堆划分为 2048 个 Region
2、停顿控制与年轻代调优
- -XX:MaxGCPauseMillis : 目标暂停时间(默认200ms)
- -XX:G1NewSizePercent : 新生代内存初始空间(默认整堆5%)
6. -XX:G1MaxNewSizePercent:新生代内存最大空间(默认整堆60%），会动态调整的上限
3、对象晋升与年龄控制
7. -XX:TargetSurvivorRatio :Survivor区填充容量(默认50%)，Survivor区域里的一批对象(年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象)总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n(含)以上的对象都放入老年代
8. -XX:MaxTenuringThreshold:最大年龄阈值(默认15)
4、Mixed GC 触发与回收控制
- -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent : 老年代占用整堆内存阈值(默认45%)，触发 Mixed GC。比如我们之前说的堆默认有2048个region，如果有接近1000个region都是老年代的region，则可能就要触发MixedGC了。
- -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent ：Region 存活对象阈值(默认85%) ，Region 中存活对象低于此值才回收；超过则回收意义不大。
- -XX:G1MixedGCCountTarget : 在一次筛选回收中指定做几次筛选回收(默认8)，将一次回收拆分为多次，避免单次停顿过长。比如筛选回收阶段可以回收一会，然后暂停回收，恢复系统运行，一会再开始回收，这样可以让系统不至于单次停顿时间过长。
