垃圾回收是Java平台的标志性特性，也是无数开发者选择Java而非C++的重要原因。从JDK 1.0到JDK 21，Java的垃圾回收算法经历了翻天覆地的变化，每一次演进都在吞吐量、延迟和内存占用之间寻找新的平衡。理解不同垃圾回收器的特点和工作原理，对于调优Java应用性能至关重要。
参考：https://xbivx.cn/category/provincial-forecast.html
标记-清除算法是最基础的垃圾回收算法。它分为两个阶段：标记阶段遍历所有存活对象，清除阶段回收未被标记的对象。这种算法的缺点是产生内存碎片，以及暂停时间与堆大小成正比。标记-清除的变种——标记-复制算法将内存分为两个半区，每次只使用其中一个，回收时将存活对象复制到另一个半区，然后清空原半区。复制算法无碎片，但内存利用率低。标记-整理算法在标记之后将存活对象向一端移动，然后清理边界以外的内存，既消除了碎片，又提高了内存利用率，但移动对象的开销较大。
分代假说是Java垃圾回收设计的理论基础。该假说指出：大部分对象朝生夕灭（年轻代），而老年代中的对象则长期存活。基于这个假说，JVM将堆内存分为年轻代和老年代。年轻代使用复制算法（因为大部分对象在GC中死亡），老年代使用标记-清除或标记-整理算法（因为存活率高，复制成本大）。
Serial GC是最古老的垃圾回收器，使用单线程进行垃圾回收。它会触发"Stop-The-World"暂停，所有应用线程停止，直到GC完成。Serial GC适合客户端应用或单处理器环境，堆内存较小（几十MB到几百MB）。它的优点是简单、内存占用低、没有线程同步开销。
Parallel GC（也称为吞吐量优先收集器）是JDK 8及之前版本的默认收集器。它使用多线程进行垃圾回收，充分利用多核CPU。Parallel GC的目标是最大化吞吐量（应用运行时间与总时间的比值）。它适用于后台处理、批处理等对暂停时间不敏感的场景。Parallel GC在年轻代使用并行复制，在老年代使用并行标记-整理。
CMS GC（Concurrent Mark Sweep）是第一款低延迟垃圾回收器。它的目标是减少暂停时间，将垃圾回收的大部分工作与应用线程并发执行。CMS的回收过程包括：初始标记（STW，标记GC Roots直接可达的对象）、并发标记（与应用线程一起标记所有存活对象）、重新标记（STW，处理并发标记期间发生变化的对象）、并发清除（清除未标记的对象）。CMS的缺点是产生内存碎片（因为不整理），且浮动垃圾（并发标记期间新产生的垃圾）需要等待下次GC。
G1 GC（Garbage First）在JDK 7u4中正式发布，在JDK 9中成为默认收集器。G1将堆内存划分为多个大小相等的Region，每个Region可以是年轻代或老年代。G1的回收策略是：优先回收垃圾最多的Region（Garbage First因此得名）。G1的目标是在可预测的暂停时间内回收尽可能多的内存。它使用停顿预测模型，动态调整年轻代大小和回收区域的数量。G1的回收过程包括：年轻代收集、并发标记周期、混合收集（逐步回收老年代Region）。G1避免了CMS的碎片问题，因为它在需要时对Region进行整理。
参考：https://xbivx.cn/category/national-weather.html
ZGC（Z Garbage Collector）在JDK 11中引入，在JDK 15中成为生产就绪。ZGC的目标是在任意堆大小（从几百MB到16TB）下，将暂停时间控制在10ms以内。ZGC使用读屏障和染色指针技术，将大部分GC工作与应用线程并发执行。ZGC的暂停只发生在根扫描阶段，且暂停时间不随堆大小增长。ZGC的设计挑战包括：处理大堆的并发标记和重定位、与操作系统内存管理的交互、以及JIT编译器的适配。ZGC适用于大堆内存、低延迟的场景，如金融交易系统、在线游戏服务器。
Shenandoah GC与ZGC类似，也是低延迟并发回收器，由Red Hat开发，在JDK 12中引入。与ZGC使用染色指针不同，Shenandoah使用 Brooks指针（转发指针）和读屏障实现并发压缩。Shenandoah的回收过程包括：初始标记、并发标记、并发清理、并发压缩等阶段。Shenandoah和ZGC代表了垃圾回收技术的前沿，它们将暂停时间从秒级降低到毫秒级甚至亚毫秒级。
Epsilon GC是JDK 11中引入的无操作垃圾回收器。它分配内存但不回收，当堆内存耗尽时JVM退出。Epsilon适用于短期任务、性能测试、或完全由应用管理内存的场景。
GC调优是Java性能工程的重要部分。调优的步骤包括：明确目标（吞吐量优先还是延迟优先）、监控GC日志（使用-Xlog:gc*）、选择合适的垃圾回收器、调整堆大小（-Xms和-Xmx）、调整年轻代与老年代比例（-XX:NewRatio）、调整晋升阈值（-XX:MaxTenuringThreshold）等。过度调优往往是反模式——在大多数情况下，默认配置已经足够好。
GC日志分析工具可以帮助理解GC行为。GCViewer、GCEasy、JMC等工具可以可视化GC事件，分析暂停时间、吞吐量、晋升速率等指标。现代JVM还提供了JFR（Java Flight Recorder）事件，可以低开销地采集GC信息。
未来趋势：Project Lilliput（JDK 21预览）尝试缩减对象头大小，减少内存占用；Project Valhalla的值类型将进一步减少对象数量，降低GC压力；分代ZGC（JDK 21正式）将年轻代和老年代分离，进一步提升ZGC的性能。
垃圾回收不是魔法，而是一套精心设计的算法和工程实现。理解GC的工作原理，不仅有助于调优，还能帮助开发者写出对GC友好的代码：避免对象晋升、避免大对象分配、使用对象池复用对象、以及及时释放引用。
参考：https://xbivx.cn
