垃圾收集是Java语言的重要特性，Java能够自动回收内存而不是像C/C++那样需要程序员手动free和delete能够极大提高开发效率，减少程序员出错的可能。这篇笔记我们简单了解一些垃圾收集算法，以及具体到JVM中的垃圾收集器。
在对JVM的堆内存执行垃圾收集前，我们先需要区分出堆内存中哪些对象是还需要使用的，哪些是可以收集的“垃圾”对象，只有被标记为“垃圾”的对象才会在垃圾回收时释放内存，这个比较操作我们称为垃圾标记阶段。当区分出有用的对象和“垃圾”后，接下来才是真正的垃圾回收阶段，垃圾收集器会采用特定的算法和策略释放内存空间，以便有足够的内存空间分配新对象。
标记阶段的主流基础算法有：引用计数法、可达性分析算法；垃圾回收阶段的主流基础算法有：标记清除算法、标记复制算法、标记压缩算法。实际上，没有一种算法能够解决所有问题，在实际的实现中都有着复杂的优化和改进，下面介绍的算法也是搭配使用的，这也是JVM实现分代收集的原因。
引用计数法其实很简单，每个对象保存一个引用计数器，用来记录对象被引用的次数。对于一个对象A，只要有任何一个位置引用了对象A，就将其引用计数器加1，引用失效就将其减1，当其引用计数器值为0时，表示对象A不可能再被引用了，标记为其可以被垃圾回收。
引用计数法实现简单，垃圾对象便于辨识，判定效率高，回收没有延迟性。然而，引用计数器最大的问题就是无法处理循环引用。如果两个或多个对象互相形成环形的循环引用，那么其引用计数器就永远不会变为0，造成了内存泄漏。此时一般需要程序员手动解决，在丢弃对象前拆开循环来手动清零引用计数器。
实际上，Java没有采用引用计数法，而是采用了下面介绍的可达性分析算法。
相对于前面介绍的引用计数法，可达性分析算法能够解决循环引用问题，防止内存泄漏的问题发生。
可达性分析算法需要一组根对象集合（GC Roots）作为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达，此时内存中的存活对象都会被根对象集合直接和间接的连接着，搜索所走过的路径被称为引用链（Reference Chain）。如果一个对象没有任何引用链相连，意味着其不可达，可以标记为垃圾对象。
在Java语言中，根对象集合包括以下元素：
如果要使用可达性分析算法判断内存是否可以回收，那么分析就必须在一个能保障一致性的快照中进行，此时就会引起STW（Stop The World）停顿，这也是可达性分析算法的一个缺点。
标记清除算法（Mark-Sweep）是最基础的垃圾收集算法，最早用于Lisp语言。
标记清除算法维护一个空闲地址列表，当堆中需要分配新的对象，首先查看空闲地址列表中是否有足够的连续空间，当空间不足时，就会暂时停止程序（STW），进行标记和清除。标记阶段前面已经介绍过，清除阶段也十分简单，收集器直接对堆内存从头到尾进行线性遍历，发现不可达对象就将其回收（这里所说的回收是指将需要清除的对象地址记录在空闲地址列表）。
标记清除算法的缺点是效率较低，在进行GC时需要停止程序，此外清除的内存空间还是不连续的，导致了大量内存碎片，不利于内存的再次分配。
复制算法（Copying）将整个堆内存空间分为两块，每次只是用其中一块，在垃圾回收阶段将存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。
复制算法巧妙的解决了前面标记清除算法带来的内存碎片问题，此外复制算法非常适合垃圾对象很多但存活对象很少的场景，比如新生代的S0和S1区，但对于老年代则由于需要复制的对象多，因此效率不高。当然其缺点也很明显，复制算法需要双倍的内存空间。
标记压缩算法（Mark-Compact）比较适合老年代的垃圾收集，该算法可以看作是标记清除算法的改进。
标记压缩算法第一阶段和标记清除算法一样，从根节点对所有对象进行标记，第二阶段则将所有存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放，之后回收边界外的空间。因此，标记压缩算法不会产生内存碎片，它是一种移动式的回收算法。
标记压缩算法的优点是不会像标记清除算法产生内存碎片，也不会像复制算法浪费内存空间；但缺点是运行效率最慢。
Java虚拟机规范中没有对垃圾收集器进行过多规定，不同厂商、不同版本的JVM中垃圾收集器也是各不相同。HotSpot中也衍生出了众多版本的垃圾收集器。
垃圾收集器按线程数分，可以分为串行垃圾收集器和并行垃圾收集器；按工作模式分，可以分为并发垃圾收集器和独占垃圾收集器。
评估GC性能的指标：
对于计算密集型程序（如离线的数据分析和报表），我们应该关注吞吐量，高的吞吐量意味着计算线程运行的比例更大；而对于延迟敏感型的程序（如网络游戏的服务端），我们应该关注暂停时间，以避免长时间STW给用户造成的影响。
常见的几种经典垃圾收集器，包括：
Java8的HotSpot中，默认使用Parallel收集器，Java9之后则为G1。
Serial串行收集器是最古老的垃圾收集器。Serial收集器用于新生代，采用复制算法，单线程进行内存回收，同时STW。Serial Old和Serial稍有区别，Serial Old用于老年代，采用标记压缩算法，单线程回收同时STW。
Serial的优点就是实现比较简单，不过随着多核CPU的出现目前没有什么理由使用单线程的串行收集器了。
ParNew其实就是Serial的多线程版本，ParNew只针对新生代堆内存，也是采用复制算法和STW机制。ParNew在多核CPU环境下可以充分利用硬件资源，可以更快速的完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
Parallel Scavenge针对新生代进行垃圾收集，和前面相同也是采用复制算法和STW机制，但和ParNew不同的是Parallel Scavenge的目标是达到一个可控制的吞吐量，具有自适应调节策略。Parallel Old针对老年代进行垃圾收集，采用标记压缩算法，以及STW机制。
Java8的HotSpot中，默认就是该组垃圾收集器。
JDK1.5时的HotSpot推出了第一款真正意义上的并发收集器CMS（Concurrent Mark Sweep），CMS能够尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，其第一次实现了让垃圾收集线程和用户线程同时工作。不过其也有诸多缺点，在JDK14时被彻底移除了。
CMS的垃圾收集过程分为4个阶段：
这里我们可以看到，CMS收集器将标记阶段进行了拆分，耗时最多的遍历对象图的操作不会发生STW，STW只发生在起始标记和后面的修正，因此能够明显降低总的STW时间；此外在清除阶段，采用标记清除算法只会操作“垃圾”对象，而不会移动存活对象，因此清除阶段也可以实现和用户线程的并发运行，不过这也限制了并发清除阶段无法采用复制算法或是标记压缩算法。
CMS收集器的优点是低延迟，缺点则是会产生内存碎片，内存碎片会造成在无法分配大对象时不得不触发Full GC。此外CMS收集器在并发标记阶段如果产生新的“垃圾”对象，CMS收集器是无法对其进行标记的，这些对象只能等到下一次GC时再释放了。
G1（Garbage First）并行垃圾收集器在JDK7时引入，从JDK9开始，默认的垃圾收集器从Parallel GC换成了G1 GC。在JDK8中使用G1可以使用参数-XX:+UseG1GC。
G1把内存分割为很多区域（Region）作为垃圾回收的基本单位而不是分代，G1使用不同的区域表示Eden、S0、S1、老年代等，但G1不要求各代是连续的，G1跟踪各个区域里面的垃圾堆积的价值大小，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的区域，因此起名垃圾优先（Garbage First）。