如果说收集算法是内存回收的方法论，那垃圾收集器就是内存回收的实践者。《Java虚拟机规范》中对垃圾收集器应该如何实现并没有做出任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚拟机所包含 的垃圾收集器都可能会有很大差别，不同的虚拟机一般也都会提供各种参数供用户根据自己的应用特点和要求组合出各个内存分代所使用的收集器。
上图展示了七种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用，图中收集器所处的区域，则表示它是属于新生代收集器抑或是老年代收集器。接下来笔者将 逐一介绍这些收集器的目标、特性、原理和使用场景，并重点分析CMS和G1这两款相对复杂而又广泛 使用的收集器，深入了解它们的部分运作细节。
没有万能的收集器，所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器。Serial收集器是最基础、历史最悠久的收集器，曾经（在JDK 1.3.1之前）是HotSpot虚拟机新生代 收集器的唯一选择。大家只看名字就能够猜到，这个收集器是一个单线程工作的收集器，但它的“单线 程”的意义并不仅仅是说明它只会使用一个处理器或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是强调在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到它收集结束。“Stop The World”这个词语也 许听起来很酷，但这项工作是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，在用户不可知、不可控的情况 下把用户的正常工作的线程全部停掉，这对很多应用来说都是不能接受的。读者不妨试想一下，要是 你的电脑每运行一个小时就会暂停响应五分钟，你会有什么样的心情？👇图示意了Serial/Serial Old收 集器的运行过程。
从JDK 1.3开始，一直到现在最新的JDK 13，HotSpot虚拟机开发团队为消除或者降低用户线程因 垃圾收集而导致停顿的努力一直持续进行着，从Serial收集器到Parallel收集器，再到Concurrent Mark Sweep（CMS）和Garbage First（G1）收集器，最终至现在垃圾收集器的最前沿成果Shenandoah和ZGC 等，我们看到了一个个越来越构思精巧，越来越优秀，也越来越复杂的垃圾收集器不断涌现，用户线 程的停顿时间在持续缩短，但是仍然没有办法彻底消除（这里不去讨论RTSJ中的收集器），探索更优 秀垃圾收集器的工作仍在继续。
写到这里，笔者似乎已经把Serial收集器描述成一个最早出现，但目前已经老而无用，食之无味， 弃之可惜的“鸡肋”了，但事实上，迄今为止，它依然是HotSpot虚拟机运行在客户端模式下的默认新生 代收集器，有着优于其他收集器的地方，那就是简单而高效（与其他收集器的单线程相比），对于内存资源受限的环境，它是所有收集器里额外内存消耗（Memory Footprint）最小的；对于单核处理器或处理器核心数较少的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以 获得最高的单线程收集效率。在用户桌面的应用场景以及近年来流行的部分微服务应用中，分配给虚 拟机管理的内存一般来说并不会特别大，收集几十兆甚至一两百兆的新生代（仅仅是指新生代使用的 内存，桌面应用甚少超过这个容量），垃圾收集的停顿时间完全可以控制在十几、几十毫秒，最多一 百多毫秒以内，只要不是频繁发生收集，这点停顿时间对许多用户来说是完全可以接受的。所以，Serial收集器对于运行在客户端模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。
ParNew收集器实质上是Serial收集器的多线程并行版本，除了同时使用多条线程进行垃圾收集之 外，其余的行为包括Serial收集器可用的所有控制参数（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX： PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure等）、收集算法、Stop The World、对象分配规 则、回收策略等都与Serial收集器完全一致，在实现上这两种收集器也共用了相当多的代码。ParNew收 集器的工作过程如👇图所示。
ParNew收集器除了支持多线程并行收集之外，其他与Serial收集器相比并没有太多创新之处，但它 却是不少运行在服务端模式下的HotSpot虚拟机，尤其是JDK 7之前的遗留系统中首选的新生代收集 器，其中有一个与功能、性能无关但其实很重要的原因是：除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS 收集器配合工作。
在JDK 5发布时，HotSpot推出了一款在强交互应用中几乎可称为具有划时代意义的垃圾收集器 ——CMS收集器。这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上支持并发的垃圾收集器，它首次 实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。
遗憾的是，CMS作为老年代的收集器，却无法与JDK 1.4.0中已经存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作[1]，所以在JDK 5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或者 Serial收集器中的一个。ParNew收集器是激活CMS后（使用-XX：+UseConcMarkSweepGC选项）的默 认新生代收集器，也可以使用-XX：+/-UseParNewGC选项来强制指定或者禁用它。
可以说直到CMS的出现才巩固了ParNew的地位，但成也萧何败也萧何，随着垃圾收集器技术的不 断改进，更先进的G1收集器带着CMS继承者和替代者的光环登场。G1是一个面向全堆的收集器，不 再需要其他新生代收集器的配合工作。所以自JDK 9开始，ParNew加CMS收集器的组合就不再是官方 推荐的服务端模式下的收集器解决方案了。官方希望它能完全被G1所取代，甚至还取消了ParNew加 Serial Old以及Serial加CMS这两组收集器组合的支持（其实原本也很少人这样使用），并直接取消了- XX：+UseParNewGC参数，这意味着ParNew和CMS从此只能互相搭配使用，再也没有其他收集器能 够和它们配合了。读者也可以理解为从此以后，ParNew合并入CMS，成为它专门处理新生代的组成部 分。ParNew可以说是HotSpot虚拟机中第一款退出历史舞台的垃圾收集器。
注意:
从ParNew收集器开始，后面还将会接触到若干款涉及“并发”和“并行”概念的收集器。 在大家可能产生疑惑之前，有必要先解释清楚这两个名词。并行和并发都是并发编程中的专业名词， 在谈论垃圾收集器的上下文语境中，它们可以理解为：
并行（Parallel）： 并行描述的是多条垃圾收集器线程之间的关系，说明同一时间有多条这样的线 程在协同工作，通常默认此时用户线程是处于等待状态。并发（Concurrent）： 并发描述的是垃圾收集器线程与用户线程之间的关系，说明同一时间垃圾 收集器线程与用户线程都在运行。由于用户线程并未被冻结，所以程序仍然能响应服务请求，但由于 垃圾收集器线程占用了一部分系统资源，此时应用程序的处理的吞吐量将受到一定影响。Parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点是尽可能 地缩短垃圾收集时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（Throughput）。所谓吞吐量就是处理器用于运行用户代码的时间与处理器总消耗时间的比值， 即： 停顿时间越短就越适合需要与用户交互或需要保证服务响应质量的程序，良 好的响应速度能提升用户体验；而高吞吐量则可以最高效率地利用处理器资源，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分析任务。
Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间 的 -XX：MaxGCPauseMillis 参数以及直接设置吞吐量大小的 -XX：GCTimeRatio参数。
-XX：MaxGCPauseMillis参数允许的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽力保证内存回收花费的 时间不超过用户设定值。不过大家不要异想天开地认为如果把这个参数的值设置得更小一点就能使得 系统的垃圾收集速度变得更快，垃圾收集停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间为代价换取的。
-XX：GCTimeRatio参数的值则应当是一个大于0小于100的整数，也就是垃圾收集时间占总时间的 比率，相当于吞吐量的倒数。譬如把此参数设置为19，那允许的最大垃圾收集时间就占总时间的5% （即1/(1+19)），默认值为99，即允许最大1%（即1/(1+99)）的垃圾收集时间。
由于与吞吐量关系密切，Parallel Scavenge收集器也经常被称作“吞吐量优先收集器”。除上述两个 参数之外，Parallel Scavenge收集器还有一个参数 -XX：+UseAdaptiveSizePolicy 值得我们关注。这是一 个开关参数，当这个参数被激活之后，就不需要人工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区 的比例（-XX：SurvivorRatio）、晋升老年代对象大小（-XX：PretenureSizeThreshold）等细节参数 了，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的停顿时 间或者最大的吞吐量。这种调节方式称为 垃圾收集的自适应的调节策略（GC Ergonomics） [1]。如果读者对于收集器运作不太了解，手工优化存在困难的话，使用Parallel Scavenge收集器配合自适应调节策 略，把内存管理的调优任务交给虚拟机去完成也许是一个很不错的选择。只需要把基本的内存数据设 置好（如-Xmx设置最大堆），然后使用-XX：MaxGCPauseMillis参数（更关注最大停顿时间）或- XX：GCTimeRatio（更关注吞吐量）参数给虚拟机设立一个优化目标，那具体细节参数的调节工作就 由虚拟机完成了。自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器区别于ParNew收集器的一个重要特性。
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供客户端模式下的HotSpot虚拟机使用。如果在服务端模式下，它也可能有两种用 途：一种是在JDK 5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用[1]，另外一种就是作为CMS 收集器发生失败时的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。 Serial Old收集器的工作过程如👇图所示。
Parallel Scavenge收集器架构中本身有PS MarkSweep收集器来进行老年代收集，并非 直接调用Serial Old收集器，但是这个PS MarkSweep收集器与Serial Old的实现几乎是一样的，所以在官 方的许多资料中都是直接以Serial Old代替PS MarkSweep进行讲解，这里笔者也采用这种方式。
Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多线程并发收集，基于标记-整理算法实 现。这个收集器是直到JDK 6时才开始提供的，在此之前，新生代的Parallel Scavenge收集器一直处于相 当尴尬的状态，原因是如果新生代选择了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（PS MarkSweep）收集器以外别无选择，其他表现良好的老年代收集器，如CMS无法与它配合工作。由于 老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，使用Parallel Scavenge收集器也未必能在整体上 获得吞吐量最大化的效果。同样，由于单线程的老年代收集中无法充分利用服务器多处理器的并行处 理能力，在老年代内存空间很大而且硬件规格比较高级的运行环境中，这种组合的总吞吐量甚至不一 定比ParNew加CMS的组合来得优秀。
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搭配组合，在注重 吞吐量或者处理器资源较为稀缺的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器这个组 合。Parallel Old收集器的工作过程如👇图所示。
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应用集中在互联网网站或者基于浏览器的B/S系统的服务端上，这类应用通常都会较为 关注服务的响应速度，希望系统停顿时间尽可能短，以给用户带来良好的交互体验。CMS收集器就非 常符合这类应用的需求。
从名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出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要更复杂一些，整个过程分为四个步骤，包括：
初始标记（CMS initial mark）并发标记（CMS concurrent mark）重新标记（CMS remark）并发清除（CMS concurrent sweep）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；并发标记阶段就是从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对 象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行；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通常会比初始标记阶段稍长一 些，但也远比并发标记阶段的时间短；最后是并发清除阶段，清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的 对象，由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的。
通过👇图可以比较清楚地看到CMS收集器的运作步骤中并发和需要停顿的阶段。
CMS是一款优秀的收集器，它最主要的优点在名字上已经体现出来：**并发收集、低停顿，**一些官 方公开文档里面也称之为“并发低停顿收集器”（Concurrent Low Pause Collector）。CMS收集器是 HotSpot虚拟机追求低停顿的第一次成功尝试，但是它还远达不到完美的程度，至少有以下三个明显的 缺点：
首先，CMS收集器对处理器资源非常敏感。事实上，面向并发设计的程序都对处理器资源比较敏 感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但却会因为占用了一部分线程（或者说处理器的计 算能力）而导致应用程序变慢，降低总吞吐量。CMS默认启动的回收线程数是（处理器核心数量 +3）/4，也就是说，如果处理器核心数在四个或以上，并发回收时垃圾收集线程只占用不超过25%的 处理器运算资源，并且会随着处理器核心数量的增加而下降。但是当处理器核心数量不足四个时， CMS对用户程序的影响就可能变得很大。如果应用本来的处理器负载就很高，还要分出一半的运算能 力去执行收集器线程，就可能导致用户程序的执行速度忽然大幅降低。为了缓解这种情况，虚拟机提 供了一种称为“增量式并发收集器”（Incremental Concurrent Mark Sweep/i-CMS）的CMS收集器变种， 所做的事情和以前单核处理器年代PC机操作系统靠抢占式多任务来模拟多核并行多任务的思想一样， 是在并发标记、清理的时候让收集器线程、用户线程交替运行，尽量减少垃圾收集线程的独占资源的 时间，这样整个垃圾收集的过程会更长，但对用户程序的影响就会显得较少一些，直观感受是速度变 慢的时间更多了，但速度下降幅度就没有那么明显。实践证明增量式的CMS收集器效果很一般，从 JDK 7开始，i-CMS模式已经被声明为“deprecated”，即已过时不再提倡用户使用，到JDK 9发布后i- CMS模式被完全废弃。
然后，由于CMS收集器无法处理“浮动垃圾”（Floating Garbage），有可能出现“Con-current Mode Failure”失败进而导致另一次完全“Stop The World”的Full GC的产生。在CMS的并发标记和并发清理阶 段，用户线程是还在继续运行的，程序在运行自然就还会伴随有新的垃圾对象不断产生，但这一部分 垃圾对象是出现在标记过程结束以后，CMS无法在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次垃圾收集 时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。同样也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要持续运 行，那就还需要预留足够内存空间提供给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等待 到老年代几乎完全被填满了再进行收集，必须预留一部分空间供并发收集时的程序运作使用。在JDK 5的默认设置下，CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活，这是一个偏保守的设置，如果 在实际应用中老年代增长并不是太快，可以适当调高参数 -XX：CMSInitiatingOccu-pancyFraction 的值 来提高CMS的触发百分比，降低内存回收频率，获取更好的性能。到了JDK 6时，CMS收集器的启动 阈值就已经默认提升至92%。但这又会更容易面临另一种风险：要是CMS运行期间预留的内存无法满 足程序分配新对象的需要，就会出现一次“并发失败”（Concurrent Mode Failure），这时候虚拟机将不 得不启动后备预案：冻结用户线程的执行，临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集， 但这样停顿时间就很长了。所以参数 -XX：CMSInitiatingOccupancyFraction 设置得太高将会很容易导致 大量的并发失败产生，性能反而降低，用户应在生产环境中根据实际应用情况来权衡设置。
还有最后一个缺点，在本节的开头曾提到，CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，如果 读者对前面这部分介绍还有印象的话，就可能想到这意味着收集结束时会有大量空间碎片产生。空间 碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有很多剩余空间，但就是无法找 到足够大的连续空间来分配当前对象，而不得不提前触发一次Full GC的情况。为了解决这个问题， CMS收集器提供了一个 -XX：+UseCMS-CompactAtFullCollection 开关参数（默认是开启的，此参数从 JDK 9开始废弃），用于在CMS收集器不得不进行Full GC时开启内存碎片的合并整理过程，由于这个 内存整理必须移动存活对象，（在Shenandoah和ZGC出现前）是无法并发的。这样空间碎片问题是解 决了，但停顿时间又会变长，因此虚拟机设计者们还提供了另外一个参数 -XX：CMSFullGCsBefore- Compaction（此参数从JDK 9开始废弃），这个参数的作用是要求CMS收集器在执行过若干次（数量 由参数值决定）不整理空间的Full GC之后，下一次进入Full GC前会先进行碎片整理（默认值为0，表 示每次进入Full GC时都进行碎片整理）。
