Java的垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制是Java虚拟机（JVM）自动管理内存的重要组成部分，它自动追踪对象的生命周期，自动释放不再使用的对象所占用的内存空间，从而减轻了开发人员手动管理内存的负担。Java的GC主要涉及几种不同的垃圾回收算法，每种算法都有其特定的设计目标、适用场景以及优缺点。下面是对几种主要垃圾回收算法的总结：
垃圾回收算法
1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）
原理：
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标记阶段：遍历所有的可达对象，将它们标记为存活。
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清除阶段：遍历堆内存，删除那些未被标记的对象，即未被引用的对象。
优点：
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实现简单，是最早的垃圾回收算法之一。
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直观地解决了内存管理问题，不需要对象的移动。
缺点：
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效率问题：标记和清除两个过程的效率都不高，特别是清除后会产生大量不连续的内存碎片，影响后续的大对象分配。
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空间碎片：由于不进行内存整理，会造成内存空间碎片化，可能导致后续分配大对象时，即使有足够的空闲内存空间，也无法满足分配需求。
GC标记-清除法的改进
改进一：分配速度的改进——多个空闲链表
利用分块大小不同的空闲链表，即创建只连接大分块的空闲链表和只连接小分块的空闲链表，甚至不同规格大小的分块采用不同的空闲链表管理。这样一来，只要按照应用程序所申请的对象大小选择空闲链表，就能在短时间内找到符合条件的分块了。我们知道，Golang的内存分配里就是这么做的了。
改进二：碎片化分块问题的改进——BiBOP法
BiBOP 是 Big Bag Of Pages 的缩写。用一句话概括就是“将大小相近的对象整理成固定大小的块进行管理的做法”。
2. 复制算法（Copying）
原理：
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将可用内存分为两块，每次只使用其中一块。当一块用完时，将存活的对象复制到另一块，然后清理掉原来的那块内存。
优点：
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简化了内存管理，解决了标记-清除算法的空间碎片问题，因为每次回收后都是连续的内存。
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复制过程相对高效，因为是连续内存区域之间的复制。
缺点：
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内存利用率低：始终有一半的内存处于闲置状态。
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对象存活率高时效率下降：如果对象的存活率很高，频繁的复制操作会降低效率。
改进一：Cheney 的 GC 复制算法
将基本GC的深度优先搜索改为广度优先搜索。这样可以将递归复制改为迭代复制。
改进二：多空间复制算法
GC 复制算法最大的缺点是只能利用半个堆。这是因为该算法将整个堆分成了两半，每次都要腾出一半。多空间复制算法可以改进GC复制算法“只能利用半个堆”的问题。
多空间复制算法说白了就是把堆 N 等分，对其中 2 块空间执行 GC 复制算法，对剩下的 (N-2)块空间执行 GC 标记-清除算法，也就是把这 2 种算法组合起来使用。
3. 标记-整理（Mark-Compact）
原理：
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结合了标记-清除算法的标记过程，但在清除阶段，不是直接清理死亡对象，而是将存活对象向一端移动，然后直接清理掉边界外的所有空间。
优点：
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解决了标记-清除算法的空间碎片问题，同时不需要像复制算法那样浪费一半的内存。
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适合老年代，因为老年代的对象生命周期较长，移动的频率较低。
缺点：
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移动对象需要调整引用，比单纯的清除要慢。
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整理过程复杂，暂停时间较长，影响应用响应。
4. 分代收集算法（Generational Collection）
原理：
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基于这样一个事实：大多数对象的生命周期很短。因此，将堆内存分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old/Tenured Generation），分别采用不同的收集算法。
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年轻代常采用复制算法，因为它能快速处理大量短期对象。
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老年代通常使用标记-清除或标记-整理，因为这里的对象生命周期较长，不适合频繁复制。
优点：
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针对不同对象生命周期采取不同策略，提高了整体的回收效率。
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减少了暂停时间，提高了应用程序的响应性。
缺点：
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实现复杂，需要维护多个代的内存空间，以及相应的回收策略。
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对象晋升到老年代的决策可能影响整体性能。
5. 增量收集（Incremental GC）和并发收集（Concurrent GC）
增量收集：
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将一次完整的垃圾回收过程分成多个小步骤，每次回收一小部分，减少因GC造成的停顿时间。
并发收集：
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在用户线程运行的同时进行垃圾回收，尽量减少垃圾回收对应用的影响，比如CMS（Concurrent Mark and Sweep）和G1（Garbage First）收集器。
优点：
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显著降低了GC引起的停顿时间，提高了应用程序的响应性和用户体验。
缺点：
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实现复杂，可能导致内存回收效率降低，尤其是并发收集可能会出现“浮动垃圾”问题，需要多次回收才能彻底清理。
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CMS和G1虽然并发，但在某些阶段仍需STW（Stop-The-World）操作，影响应用性能。
增量式垃圾回收的改进
改进一：Steele的写入屏障
具体操作：在标记过程中发出引用的对象是黑色对象，且新的引用的目标对象为灰色或白色，那么我们就把发出引用的对象涂成灰色。
改进二：删除屏障
具体操作: 被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么被标记为灰色。
垃圾回收器及其关联的算法
不同的垃圾回收器可能支持不同的算法，并且可以选择和配置。以下是一些常见垃圾回收器及其关联的算法：
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Serial GC：
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算法：标记-清除
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描述：这是最简单的垃圾回收器，适用于单线程环境。在新生代和老年代都可以使用，但通常新生代使用较多。它会停止所有应用线程（Stop-The-World）来执行垃圾回收。
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默认使用场景：客户端模式下的JVM默认垃圾回收器。
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Parallel GC（也称作Parallel Scavenge + Parallel Old）：
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算法：新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理或标记-清除。
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描述：这是一个多线程的垃圾回收器，可以在新生代和老年代并行执行垃圾回收，减少Stop-The-World的时间。
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默认使用场景：Java 8及以前的服务器模式下默认的垃圾回收器。
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Concurrent Mark Sweep (CMS)：
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算法：标记-清除
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描述：CMS回收器主要关注减少应用的暂停时间，它在老年代使用，大部分工作可以在应用线程运行时并发进行，但最终的清理阶段仍需Stop-The-World。
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使用场景：适合对响应时间敏感的应用，需手动配置启用。
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G1（Garbage First）：
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算法：混合使用标记-复制和标记-整理，分区算法。
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描述：G1设计目标是最大化可预测的垃圾回收暂停时间，同时保持高吞吐量。它将堆划分为多个区域（region），并使用复制和标记-整理的混合策略。
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默认使用场景：Java 9及以上版本中成为默认的服务器模式垃圾回收器。
默认算法：
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在Java 8及之前的版本中，服务器模式下默认的垃圾回收器通常是Parallel GC（新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理）。
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从Java 9开始，G1逐渐成为默认的垃圾回收器，其在新生代和老年代都使用了分区的标记-复制和标记-整理算法，以实现更可预测的暂停时间和高效回收。
请注意，这些信息是基于历史版本的普遍情况，具体版本的默认配置可能会随JVM实现和更新而变化。开发者可以通过JVM选项（如-XX:+UseSerialGC, -XX:+UseParallelGC, -XX:+UseConcMarkSweepGC, -XX:+UseG1GC）来指定垃圾回收器。
总结
Java的垃圾回收机制通过不断演进的算法设计，平衡了内存管理的效率、系统响应性和内存利用率。每种算法都有其应用场景，没有绝对的好坏，关键在于如何根据具体应用的特点选择合适的垃圾回收策略。现代JVM通常结合多种算法，如G1收集器，综合运用分代收集、标记-整理、并发标记等策略，以达到更好的性能表现。随着JVM技术的发展，垃圾回收算法还在不断进化，以适应更高性能要求和更大规模的应用场景。
