java常用垃圾回收器G1和CMS的区别
1 概述
从jdk1.8为界限，几种常用的垃圾回收器如下图所示：
注意：
对于Serial-Serial Old 和Parallel Scavenge-Parallel Old这两种垃圾回收器，新生代都采用复制回收算法，老年代采用标记整理算法，区别在于回收时采用一个还是多个线程，缺点也都很一致，就是会产生STW。
虽然CMS垃圾回收器比其他两种好，但是java8之前还算是默认使用的是PS-PO回收器。
2 ParNew-CMS（ConcurrentMarkSweep）回收器
与上图说的那样，parNew是一种新生代垃圾回收器，而CMS是一种老年代垃圾回收器，两者常作为搭档应用。
从他的名字ConcurrentMarkSweep我们就可以顾名思义，它是一种“并发标记清除算法”，新生代采用复制算法，老年代采用标记清除算法。
注意：
上面其他两种Serial Old和Parallel Old采用的是标记整理算法。
而标记清除算法是会产生内存碎片的，CMS怎么解决的呢？
解决这个问题的办法就是可以让CMS在进行一定次数的Full GC（标记清除）的时候进行一次标记整理算法，CMS提供了一下参数来控制：
-XX：UseCMSCompactAtFullCollection -XX:CMSFullGCBeforeCompaction=5
也就是CMS在进行5次Full GC(标记清除）之后进行一次标记整理算法，从而可以控制老年带的碎片在一定数量以内，甚至可以配置CMS在每次Full GC的时候都进行内存的整理。
2.1 垃圾回收过程
参考链接: CMS&G1垃圾回收算法.
参考链接: 详解CMS垃圾回收机制.
新生代采用复制算法，会暂停所有用户线程。
老年代采用CMS，而这种垃圾回收器的回收过程主要分成四个过程：
2.1.1 初始标记
初始标记其实就是对被我们GC ROOT直接引用的对象做一个标记，在这个过程中将会触发一次STW（stop the word）机制，但是时间很短可以忽略。
当前阶段标记老年代的GC Roots对象和新生代存活的对象引用到老年代的对象（非老年代引用新生代，是新生代引用到老年代的跨代引用，这里需要遍历整个新生代，主要是标记老年代的对象可达），然后把这个GC Roots push到标记栈(mark-stack)；
2.1.2 并发标记
从标记栈(mark-stack)pop出对象，递归遍历出所有的子对象，然后把子对象继续push到标记栈(mark-stack)，重复这个过程直到所有对象被标记，然后标记栈(mark-stack)为空；
应用线程期间发生：
新生代晋升老年代；
直接在老年代分配；
老年代引用关系发生变化（新增，删除，变更）；
这些对象在都会触发写屏障标识为dirty，放到一个叫ModUnionTalble（主要是为了解决在YGC时应用程序删除了某个新生代对原来dirty card中对象的引用，写屏障捕获后标识为clean的场景）的类似Card Table（写屏障标识dirty card的动作应该会在每个并发阶段被触发）；
在进行并发标记的过程中，我们的用户线程和CMS线程会一起执行。CMS所做的一件事情就是把堆里的所有引用对象全部找到并做标记。
但是在这个过程中可能会发生对象状态被改变的问题。
1、比如我的一个对象的引用链已经断开，变成了垃圾对象，但是CMS已经对他做过标记判断为非垃圾对象了怎么办？这就是在并发标记过程中产生的浮动垃圾（多标问题）
2、比如本来一个对象在CMS标记的过程中把他标记成了垃圾对象但是后来我们有引用了，结果在我们用的时候垃圾对象已经被干掉了，那我们是不是在引用这个对象的时候就会找不到这个垃圾对象。（漏标问题）
这时候我们的第五步就产生了。
2.1.3 并发预清理（CMS-concurrent-preclean）
扫描新生代确定之前未被标记的老年代对象的可达性，将老年代的对象标记为存活；扫描ModUnionTalble并处理dirty card；
并发预清理阶段，也是一个并发执行（可与用户线程一起执行）的阶段，主要解决新生代晋升的问题，新分配到老年代的对象以及并发被修改的对象。在本阶段，会查找前一阶段执行过程中,从新生代晋升或新分配或被更新的对象。通过并发地重新扫描这些对象，预清理阶段可以减少下一个stop-the-world 重新标记阶段的工作量。
并发预处理阶段做的工作还是标记，与重标记功能相似。既然相似为什么要有这一步？
前面我们讲过，CMS是以获取最短停顿时间为目的的GC。重标记需要STW（Stop The World），因此重标记的工作尽可能多的在并发阶段完成来减少STW的时间。
2.1.4 并发可中止的预清理（CMS-concurrent-abortable-preclean）
这个阶段其实跟上一个阶段做的东西一样，也是为了减少下一个STW重新标记阶段的工作量。增加这一阶段是为了让我们可以控制这个阶段的结束时机，比如扫描多长时间（默认5秒）或者Eden区使用占比达到期望比例（默认50%）就结束本阶段。
这个阶段主要是为了尽可能的引发一次YGC，为下一个阶段扫描整个新生代减轻负担；
2.1.5 重新标记
STW，完成标记整个老年代所有存活的对象：
遍历整个新生代，重新标记（因为之前的并发阶段应用程序还是在并行执行，所以会存在老年代未被标记的对象被新生代引用，需要遍历新生代来确保该老年代对象是否可达）；
根据GC Roots重新标记；
遍历老年代的Dirty Card，重新标记，这里的Dirty Card大部分已经在clean阶段处理过；
扫描整个新生代、老年代GC Roots、老年代的dirty card；
上面的所有操作基本上都是为了减少重新标记的暂停时间，这个阶段可以通过开启参数 CMSScavengeBeforeRemark使得在此之前做一次YGC；
在这一步，CMS会触发STW机制，并修复并发标记状态已经改变的对象，但是这个过程会比较漫长。
暂停所有用户线程，重新扫描堆中的对象，进行可达性分析,标记活着的对象。有了前面的基础，这个阶段的工作量被大大减轻，停顿时间因此也会减少。注意这个阶段是多线程的。
使用的标记算法三色标记算法。三色标记法.
2.1.5 并发清理
用户线程被重新激活，同时清理那些无效的对象。
2.1.6 并发重置
CMS重置本次GC过程中的标记数据，为下次回收做准备。
3 G1回收器
在jdk1.9之后，G1便是默认的垃圾回收器，用于替代CMS，而同时，一种回收器通吃新生代和老年代回收。
3.1 G1的内存布局
G1摒弃了以往的堆内存分代思想，而是将内存分为等大的区域块：利用参数 -XX：GCHeapRegionSize = N，默认2048个区域。并且每个区域不在固定，可以是Eden，也可以是Surviver也可以是Old，也就是说，这三个区域从此不再连续了，并且分配了一个Humongous区域（属于老年代）来存放那些大小超过一个区域的一半的超大对象，如图所示：
3.2 G1收集器底层原理
G1运作过程
1.初始标记：标记GC Roots能直接关联到的对象。修改TAMS指针(Top at Mark Start），【G1为每个Region分配了两个指针，用于记录回收过程中新对象的分配】，短暂停顿用户线程，借用Minor GC时完成。
2.并发标记：从GC Roots开始递归扫描整个堆，对堆中对象进行可达性分析。【与用户线程并发执行，并发过程漏标对象使用SATB(snapshot-at-the-beginning)算法记录】
3.最终标记：短暂停顿用户线程，处理并发阶段遗留的漏标对象。
4.筛选回收：对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的停顿时间，制定回收计划，回收一部分Region。【两种回收模式，Young GC、Mixed GC】
3.3 Young GC
G1在回收年轻代的时候，是会产生STW的，它不会回收整个堆，而是回收一个Collection Set（CS：回收区域集合）来进行回收，并且会估计整个Region的垃圾比例，优先回收垃圾占比高的Region。
但是这里必须考虑两个问题：
1、跨代引用（老年代对象持有年轻代引用）
2、不同Region之间互相引用
解决方法：
GC又将Region分成很多个卡片，并引入两个数据结构Card Table（用来记录卡片） 和 Remember Set（RS：被引用对象的Region用来记录引用对象的Card）。也就是说当两个Region有对象互相引用的时候，就会将引用对象的Card记录在另一个区域的RS里面，这样我们回收对象的时候，出现这种引用情况就不需要引用整个堆，而只需要扫描那个对应的Card就可以了，这是一个典型的“空换时”的概念。
年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。YGC时,首先G1停止应用程序的执行(Stop-The-World),G1创建回收集(Collection Set),回收集是指需要被回收的内存分段的集合,年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。
1）第一阶段,扫描根。根是指static变量指向的对象,正在执行的方法调用链条上的局部变量等。跟引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。
2）第二阶段,更新RSet。处理dirty card queue中的card,更新RSet。此阶段完成后,RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。
3）第三阶段,处理RSet。识别被老年代对象指向的Eden中的对象,这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。
4）第四阶段,复制对象。此阶段,对象树被遍历,Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段,Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值,年龄会加1,达到阈值会被复制到Old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够,Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。
5）第五阶段,处理引用。处理Soft,Weak,Phantom,Final,JNI Weak 等引用。最终Eden空间的数据为空,GC停止工作,而目标内存中的对象都是连续存储的,没有碎片,所以复制过程可以达到内存整理的效果,减少碎片。
3.4 并发标记
当整个堆大小在jvm堆栈空间中占比达到IHOP阈值-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent(默认45%)时，G1就会启动一次混合垃圾收集周期。Mix GC不仅进行正常的新生代垃圾收集，同时也回收部分后台扫描线程标记的老年代分区。进行Mix GC之前，会先进行全局并发标记。
1）初始标记（InitingMark）:标记GC Roots，会STW,一般会复用YoungGC的暂停时间。初始标记会设置好所有分区的NTAMS值。
2）根分区扫描（RootRegionScan）：根据初始标记阶段确定的GC根元素，扫描这些元素所在region，获取对老年代的引用，并标记被引用的对象。 该阶段与应用线程并发执行，也就是说没有STW停顿，必须在下一次年轻代GC开始之前完成。
3）并发标记（ConcurrentMark）：遍历整个堆，查找所有可达的存活对象。若发现区域对象中的所有对象都是垃圾,那这个区域会被立即回收。 此阶段与应用线程并发执行， 也允许被年轻代GC打断。
4）最终标记（Remark）：此阶段有一次STW暂停，以完成标记周期。 G1会清空SATB缓冲区，跟踪未访问到的存活对象，并进行引用处理。
5）清除阶段（Clean UP）： 这是最后的子阶段，G1在执行统计和清理RSet时会有一次STW停顿。 在统计过程中，会把完全空闲的region标记出来，也会标记出适合于进行混合模式GC的候选region。 清理阶段有一部分是并发执行的，比如在重置空闲region并将其加入空闲列表时。
清除阶段之后，还会对存活对象进行转移（复制算法），转移到其他可用分区，所以当前的分区就变成了新的可用分区。复制转移主要是为了解决分区内的碎片问题。
3.5 MixedGc
1）并发标记结束以后,老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了,部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下,这些老年代的内存分段会分8次(可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置)被回收。
2）混合回收的回收集(Collection Set)包括八分之一的老年代内存分段,Eden区内存分段,Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样,只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考年轻代回收过程。
3）由于老年代中的内存分段默认分8次回收,G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高,越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收。-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent,默认为65%,意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低,意味着存活的对象占比高,在复制的时候会花费更多的时间。
4）混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent,默认值为10%,意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费,意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%,则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。
4 G1和CMS对比
1.CMS是老年代回收器，G1有YGC和Mixed GC来回收新生代和老年代；
2.STW时间，CMS是整个回收过程以达到最小的暂停时间为目标，G1软实时，暂停时间可控；
3.垃圾碎片，CMS是标记-清除算法容易产生碎片，G1是标记整理，降低了空间碎片（不易导致fullgc）；
4.回收过程不一致；
5.大对象，CMS过大的对象会提前晋升或直接在老年代分配，G1可以使用多个region保存，避免晋升和直接在老年代分配导致老年代空间的消耗而引发fullgc；
6.CMS的并发清理阶段会造成浮动垃圾无法回收，G1的清除阶段是STW;
CMS适用于对暂停时间敏感的系统；
G1适用于内存较大的系统，内存吃紧GC效果不如传统GC，内存太小会导致转移失败导致fullgc；
7.关于漏标问题
CMS采用增量更新解决，当一个白色的对象被一个黑色对象引用，【将黑色对象重新标记为灰色】，让垃圾回收器重新扫描。
G1中的解决方案：SATB(snapshot-at-the-beginning)：当B->C的引用链消失时，将C推到GC的堆栈上，保证C还能被GC扫描到。