如果說收集算法是內(nèi)存回收的方法論，那么垃圾收集器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)粉私。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)垃圾收集器應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)并沒有任何規(guī)定顽腾，因此不同的廠商、版本的虛擬機(jī)所提供的垃圾收集器都可能會(huì)有很大差別，并且一般都會(huì)提供參數(shù)供用戶根據(jù)自己的應(yīng)用特點(diǎn)和要求組合出各個(gè)年代所使用的收集器抄肖。

接下來討論的收集器基于JDK1.7 Update 14 之后的HotSpot虛擬機(jī)（在此版本中正式提供了商用的G1收集器久信，之前G1仍處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)），該虛擬機(jī)包含的所有收集器如下圖所示：

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上圖展示了7種作用于不同分代的收集器漓摩，如果兩個(gè)收集器之間存在連線裙士，就說明它們可以搭配使用。

虛擬機(jī)所處的區(qū)域管毙，則表示它是屬于新生代收集器還是老年代收集器腿椎。Hotspot實(shí)現(xiàn)了如此多的收集器，正是因?yàn)槟壳安o完美的收集器出現(xiàn)夭咬，只是選擇對(duì)具體應(yīng)用最適合的收集器啃炸。

相關(guān)概念

并行和并發(fā)

• 并行（Parallel）：指多條垃圾收集線程并行工作，但此時(shí)用戶線程仍然處于等待狀態(tài)卓舵。
• 并發(fā)（Concurrent）：指用戶線程與垃圾收集線程同時(shí)執(zhí)行（但不一定是并行的南用，可能會(huì)交替執(zhí)行），用戶程序在繼續(xù)運(yùn)行边器。而垃圾收集程序運(yùn)行在另一個(gè)CPU上训枢。

吞吐量（Throughput）

吞吐量就是CPU用于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與CPU總消耗時(shí)間的比值，即

吞吐量 = 運(yùn)行用戶代碼時(shí)間 /（運(yùn)行用戶代碼時(shí)間 + 垃圾收集時(shí)間）忘巧。

假設(shè)虛擬機(jī)總共運(yùn)行了100分鐘恒界，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%砚嘴。

Minor GC 和 Full GC

• 新生代GC（Minor GC）：指發(fā)生在新生代的垃圾收集動(dòng)作十酣，因?yàn)镴ava對(duì)象大多都具備朝生夕滅的特性，所以Minor GC非常頻繁际长，一般回收速度也比較快耸采。具體原理見上一篇文章。
• 老年代GC（Major GC / Full GC）：指發(fā)生在老年代的GC工育，出現(xiàn)了Major GC虾宇，經(jīng)常會(huì)伴隨至少一次的Minor GC（但非絕對(duì)的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接進(jìn)行Major GC的策略選擇過程）如绸。Major GC的速度一般會(huì)比Minor GC慢10倍以上嘱朽。

新生代收集器

Serial收集器

Serial（串行）收集器是最基本、發(fā)展歷史最悠久的收集器怔接，它是采用復(fù)制算法的新生代收集器搪泳，曾經(jīng)（JDK 1.3.1之前）是虛擬機(jī)新生代收集的唯一選擇。

它是一個(gè)單線程收集器扼脐，只會(huì)使用一個(gè)CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作岸军，更重要的是它在進(jìn)行垃圾收集時(shí)，必須暫停其他所有的工作線程，直至Serial收集器收集結(jié)束為止（“Stop The World”）艰赞。

這項(xiàng)工作是由虛擬機(jī)在后臺(tái)自動(dòng)發(fā)起和自動(dòng)完成的佣谐，在用戶不可見的情況下把用戶正常工作的線程全部停掉，這對(duì)很多應(yīng)用來說是難以接收的方妖。圖解 Java 垃圾回收機(jī)制台谍，這篇推薦看下。

下圖展示了Serial 收集器（老年代采用Serial Old收集器）的運(yùn)行過程：

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為了消除或減少工作線程因內(nèi)存回收而導(dǎo)致的停頓吁断，HotSpot虛擬機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)在JDK 1.3之后的Java發(fā)展歷程中研發(fā)出了各種其他的優(yōu)秀收集器，這些將在稍后介紹坞生。但是這些收集器的誕生并不意味著Serial收集器已經(jīng)“老而無用”仔役，實(shí)際上到現(xiàn)在為止，它依然是HotSpot虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式下的默認(rèn)的新生代收集器是己。

它也有著優(yōu)于其他收集器的地方：簡單而高效（與其他收集器的單線程相比）又兵，對(duì)于限定單個(gè)CPU的環(huán)境來說，Serial收集器由于沒有線程交互的開銷卒废，專心做垃圾收集自然可以獲得更高的單線程收集效率沛厨。

在用戶的桌面應(yīng)用場(chǎng)景中，分配給虛擬機(jī)管理的內(nèi)存一般不會(huì)很大摔认，收集幾十兆甚至一兩百兆的新生代（僅僅是新生代使用的內(nèi)存逆皮，桌面應(yīng)用基本不會(huì)再大了），停頓時(shí)間完全可以控制在幾十毫秒最多一百毫秒以內(nèi)参袱，只要不頻繁發(fā)生电谣，這點(diǎn)停頓時(shí)間可以接收。

所以抹蚀，Serial收集器對(duì)于運(yùn)行在Client模式下的虛擬機(jī)來說是一個(gè)很好的選擇剿牺。

ParNew 收集器

ParNew收集器就是Serial收集器的多線程版本，它也是一個(gè)新生代收集器环壤。除了使用多線程進(jìn)行垃圾收集外晒来，其余行為包括Serial收集器可用的所有控制參數(shù)、收集算法（復(fù)制算法）郑现、Stop The World湃崩、對(duì)象分配規(guī)則、回收策略等與Serial收集器完全相同懂酱，兩者共用了相當(dāng)多的代碼竹习。

ParNew收集器的工作過程如下圖（老年代采用Serial Old收集器）：

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ParNew收集器除了使用多線程收集外，其他與Serial收集器相比并無太多創(chuàng)新之處列牺，但它卻是許多運(yùn)行在Server模式下的虛擬機(jī)中首選的新生代收集器整陌，其中有一個(gè)與性能無關(guān)的重要原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能和CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）配合工作泌辫，CMS收集器是JDK 1.5推出的一個(gè)具有劃時(shí)代意義的收集器随夸，具體內(nèi)容將在稍后進(jìn)行介紹。

ParNew 收集器在單CPU的環(huán)境中絕對(duì)不會(huì)有比Serial收集器有更好的效果震放，甚至由于存在線程交互的開銷宾毒，該收集器在通過超線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)CPU的環(huán)境中都不能百分之百地保證可以超越。

在多CPU環(huán)境下殿遂，隨著CPU的數(shù)量增加诈铛，它對(duì)于GC時(shí)系統(tǒng)資源的有效利用是很有好處的。它默認(rèn)開啟的收集線程數(shù)與CPU的數(shù)量相同墨礁，在CPU非常多的情況下可使用-XX:ParallerGCThreads參數(shù)設(shè)置幢竹。

Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge收集器也是一個(gè)并行的多線程新生代收集器，它也使用復(fù)制算法恩静。Parallel Scavenge收集器的特點(diǎn)是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同焕毫，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)是盡可能縮短垃圾收集時(shí)用戶線程的停頓時(shí)間，而Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量（Throughput）驶乾。

停頓時(shí)間越短就越適合需要與用戶交互的程序邑飒，良好的響應(yīng)速度能提升用戶體驗(yàn)。而高吞吐量則可以高效率地利用CPU時(shí)間级乐，盡快完成程序的運(yùn)算任務(wù)疙咸，主要適合在后臺(tái)運(yùn)算而不需要太多交互的任務(wù)。

Parallel Scavenge收集器除了會(huì)顯而易見地提供可以精確控制吞吐量的參數(shù)风科，還提供了一個(gè)參數(shù)-XX:+UseAdaptiveSizePolicy罕扎，這是一個(gè)開關(guān)參數(shù)，打開參數(shù)后丐重，就不需要手工指定新生代的大星徽佟（-Xmn）、Eden和Survivor區(qū)的比例（-XX:SurvivorRatio）扮惦、晉升老年代對(duì)象年齡（-XX:PretenureSizeThreshold）等細(xì)節(jié)參數(shù)了臀蛛。

虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況收集性能監(jiān)控信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整這些參數(shù)以提供最合適的停頓時(shí)間或者最大的吞吐量崖蜜，這種方式稱為GC自適應(yīng)的調(diào)節(jié)策略（GC Ergonomics）浊仆。自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略也是Parallel Scavenge收集器與ParNew收集器的一個(gè)重要區(qū)別。

另外值得注意的一點(diǎn)是豫领，Parallel Scavenge收集器無法與CMS收集器配合使用抡柿，所以在JDK 1.6推出Parallel Old之前，如果新生代選擇Parallel Scavenge收集器等恐，老年代只有Serial Old收集器能與之配合使用洲劣。

老年代收集器

Serial Old收集器

Serial Old 是 Serial收集器的老年代版本备蚓，它同樣是一個(gè)單線程收集器，使用“標(biāo)記-整理”（Mark-Compact）算法囱稽。

此收集器的主要意義也是在于給Client模式下的虛擬機(jī)使用郊尝。如果在Server模式下，它還有兩大用途：

• 在JDK1.5 以及之前版本（Parallel Old誕生以前）中與Parallel Scavenge收集器搭配使用战惊。
• 作為CMS收集器的后備預(yù)案流昏，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時(shí)使用。

它的工作流程與Serial收集器相同吞获，這里再次給出Serial/Serial Old配合使用的工作流程圖：

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Parallel Old收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本况凉，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。前面已經(jīng)提到過各拷，這個(gè)收集器是在JDK 1.6中才開始提供的茎刚，在此之前，如果新生代選擇了Parallel Scavenge收集器撤逢。

老年代除了Serial Old以外別無選擇，所以在Parallel Old誕生以后粮坞，“吞吐量優(yōu)先”收集器終于有了比較名副其實(shí)的應(yīng)用組合蚊荣，在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場(chǎng)合，都可以優(yōu)先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器莫杈。

Parallel Old收集器的工作流程與Parallel Scavenge相同互例，這里給出Parallel Scavenge/Parallel Old收集器配合使用的流程圖：

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CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器，它非常符合那些集中在互聯(lián)網(wǎng)站或者B/S系統(tǒng)的服務(wù)端上的Java應(yīng)用筝闹，這些應(yīng)用都非常重視服務(wù)的響應(yīng)速度媳叨。從名字上（“Mark Sweep”）就可以看出它是基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的。

CMS收集器工作的整個(gè)流程分為以下4個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記（CMS initial mark）：僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象关顷，速度很快糊秆，需要“Stop The World”。
• 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）：進(jìn)行GC Roots Tracing的過程议双，在整個(gè)過程中耗時(shí)最長痘番。
• 重新標(biāo)記（CMS remark）：為了修正并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分對(duì)象的標(biāo)記記錄，這個(gè)階段的停頓時(shí)間一般會(huì)比初始標(biāo)記階段稍長一些平痰，但遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記的時(shí)間短汞舱。此階段也需要“Stop The World”。
• 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）

由于整個(gè)過程中耗時(shí)最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程收集器線程都可以與用戶線程一起工作宗雇。

所以昂芜，從總體上來說，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的赔蒲。通過下圖可以比較清楚地看到CMS收集器的運(yùn)作步驟中并發(fā)和需要停頓的時(shí)間：

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優(yōu)點(diǎn)

CMS是一款優(yōu)秀的收集器泌神，它的主要優(yōu)點(diǎn)在名字上已經(jīng)體現(xiàn)出來了：并發(fā)收集良漱、低停頓，因此CMS收集器也被稱為并發(fā)低停頓收集器（Concurrent Low Pause Collector）腻扇。

缺點(diǎn)

• 對(duì)CPU資源非常敏感 其實(shí)债热，面向并發(fā)設(shè)計(jì)的程序都對(duì)CPU資源比較敏感。在并發(fā)階段幼苛，它雖然不會(huì)導(dǎo)致用戶線程停頓窒篱，但會(huì)因?yàn)檎加昧艘徊糠志€程（或者說CPU資源）而導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢，總吞吐量會(huì)降低舶沿。
• CMS默認(rèn)啟動(dòng)的回收線程數(shù)是（CPU數(shù)量+3）/4墙杯，也就是當(dāng)CPU在4個(gè)以上時(shí)，并發(fā)回收時(shí)垃圾收集線程不少于25%的CPU資源括荡，并且隨著CPU數(shù)量的增加而下降高镐。但是當(dāng)CPU不足4個(gè)時(shí)（比如2個(gè)），CMS對(duì)用戶程序的影響就可能變得很大畸冲，如果本來CPU負(fù)載就比較大嫉髓，還要分出一半的運(yùn)算能力去執(zhí)行收集器線程，就可能導(dǎo)致用戶程序的執(zhí)行速度忽然降低了50%邑闲，其實(shí)也讓人無法接受算行。
• 無法處理浮動(dòng)垃圾（Floating Garbage） 可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure”失敗而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生。
• 由于CMS并發(fā)清理階段用戶線程還在運(yùn)行著苫耸，伴隨程序運(yùn)行自然就還會(huì)有新的垃圾不斷產(chǎn)生州邢。這一部分垃圾出現(xiàn)在標(biāo)記過程之后，CMS無法再當(dāng)次收集中處理掉它們褪子，只好留待下一次GC時(shí)再清理掉量淌。
• 這一部分垃圾就被稱為“浮動(dòng)垃圾”。也是由于在垃圾收集階段用戶線程還需要運(yùn)行嫌褪，那也就還需要預(yù)留有足夠的內(nèi)存空間給用戶線程使用呀枢，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎完全被填滿了再進(jìn)行收集，需要預(yù)留一部分空間提供并發(fā)收集時(shí)的程序運(yùn)作使用笼痛。
• 標(biāo)記-清除算法導(dǎo)致的空間碎片 CMS是一款基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的收集器硫狞，這意味著收集結(jié)束時(shí)會(huì)有大量空間碎片產(chǎn)生。
• 空間碎片過多時(shí)晃痴，將會(huì)給大對(duì)象分配帶來很大麻煩残吩，往往出現(xiàn)老年代空間剩余，但無法找到足夠大連續(xù)空間來分配當(dāng)前對(duì)象倘核。

G1收集器

G1（Garbage-First）收集器是當(dāng)今收集器技術(shù)發(fā)展最前沿的成果之一泣侮，它是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器，HotSpot開發(fā)團(tuán)隊(duì)賦予它的使命是（在比較長期的）未來可以替換掉JDK 1.5中發(fā)布的CMS收集器紧唱。與其他GC收集器相比活尊，G1具備如下特點(diǎn)：

• 并行與并發(fā) G1 能充分利用多CPU隶校、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢(shì)，使用多個(gè)CPU來縮短“Stop The World”停頓時(shí)間蛹锰，部分其他收集器原本需要停頓Java線程執(zhí)行的GC動(dòng)作深胳，G1收集器仍然可以通過并發(fā)的方式讓Java程序繼續(xù)執(zhí)行。
• 分代收集 與其他收集器一樣铜犬，分代概念在G1中依然得以保留舞终。雖然G1可以不需要其他收集器配合就能獨(dú)立管理整個(gè)GC堆，但它能夠采用不同方式去處理新創(chuàng)建的對(duì)象和已存活一段時(shí)間癣猾、熬過多次GC的舊對(duì)象來獲取更好的收集效果敛劝。
• 空間整合 G1從整體來看是基于“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)的收集器，從局部（兩個(gè)Region之間）上來看是基于“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)的纷宇。這意味著G1運(yùn)行期間不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片夸盟，收集后能提供規(guī)整的可用內(nèi)存。此特性有利于程序長時(shí)間運(yùn)行像捶，分配大對(duì)象時(shí)不會(huì)因?yàn)闊o法找到連續(xù)內(nèi)存空間而提前觸發(fā)下一次GC上陕。
• 可預(yù)測(cè)的停頓 這是G1相對(duì)CMS的一大優(yōu)勢(shì)，降低停頓時(shí)間是G1和CMS共同的關(guān)注點(diǎn)拓春，但G1除了降低停頓外释簿，還能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型，能讓使用者明確指定在一個(gè)長度為M毫秒的時(shí)間片段內(nèi)痘儡，消耗在GC上的時(shí)間不得超過N毫秒，這幾乎已經(jīng)是實(shí)時(shí)Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了枢步。

橫跨整個(gè)堆內(nèi)存

在G1之前的其他收集器進(jìn)行收集的范圍都是整個(gè)新生代或者老生代沉删，而G1不再是這樣。對(duì)象都是在堆上分配的嗎醉途？推薦大家看下矾瑰。關(guān)注微信公眾號(hào)：Java技術(shù)棧，在后臺(tái)回復(fù)：JVM隘擎，可以獲取我整理的 N 篇最新 JVM 教程殴穴，都是干貨。

G1在使用時(shí)货葬，Java堆的內(nèi)存布局與其他收集器有很大區(qū)別采幌，它將整個(gè)Java堆劃分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域（Region），雖然還保留新生代和老年代的概念震桶，但新生代和老年代不再是物理隔離的了休傍，而都是一部分Region（不需要連續(xù)）的集合。

建立可預(yù)測(cè)的時(shí)間模型

G1收集器之所以能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型蹲姐，是因?yàn)樗梢杂杏?jì)劃地避免在整個(gè)Java堆中進(jìn)行全區(qū)域的垃圾收集磨取。G1跟蹤各個(gè)Region里面的垃圾堆積的價(jià)值大腥耸痢（回收所獲得的空間大小以及回收所需時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值），在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表忙厌，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間凫岖，優(yōu)先回收價(jià)值最大的Region（這也就是Garbage-First名稱的來由）。這種使用Region劃分內(nèi)存空間以及有優(yōu)先級(jí)的區(qū)域回收方式逢净，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)可以獲取盡可能高的收集效率哥放。

避免全堆掃描——Remembered Set

G1把Java堆分為多個(gè)Region，就是“化整為零”汹胃。但是Region不可能是孤立的婶芭，一個(gè)對(duì)象分配在某個(gè)Region中，可以與整個(gè)Java堆任意的對(duì)象發(fā)生引用關(guān)系着饥。在做可達(dá)性分析確定對(duì)象是否存活的時(shí)候犀农，需要掃描整個(gè)Java堆才能保證準(zhǔn)確性，這顯然是對(duì)GC效率的極大傷害宰掉。

為了避免全堆掃描的發(fā)生呵哨，虛擬機(jī)為G1中每個(gè)Region維護(hù)了一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的Remembered Set。虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)程序在對(duì)Reference類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作時(shí)轨奄，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Write Barrier暫時(shí)中斷寫操作孟害。

檢查Reference引用的對(duì)象是否處于不同的Region之中（在分代的例子中就是檢查是否老年代中的對(duì)象引用了新生代中的對(duì)象），如果是挪拟，便通過CardTable把相關(guān)引用信息記錄到被引用對(duì)象所屬的Region的Remembered Set之中挨务。當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存回收時(shí)，在GC根節(jié)點(diǎn)的枚舉范圍中加入Remembered Set即可保證不對(duì)全堆掃描也不會(huì)有遺漏玉组。

如果不計(jì)算維護(hù)Remembered Set的操作谎柄，G1收集器的運(yùn)作大致可劃分為以下幾個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記（Initial Marking） 僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象，并且修改TAMS（Nest Top Mark Start）的值惯雳，讓下一階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時(shí)朝巫，能在正確可以的Region中創(chuàng)建對(duì)象，此階段需要停頓線程石景，但耗時(shí)很短劈猿。
• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking） 從GC Root 開始對(duì)堆中對(duì)象進(jìn)行可達(dá)性分析，找到存活對(duì)象潮孽，此階段耗時(shí)較長揪荣，但可與用戶程序并發(fā)執(zhí)行。
• 最終標(biāo)記（Final Marking） 為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分標(biāo)記記錄往史，虛擬機(jī)將這段時(shí)間對(duì)象變化記錄在線程的Remembered Set Logs里面变逃，最終標(biāo)記階段需要把Remembered Set Logs的數(shù)據(jù)合并到Remembered Set中，這階段需要停頓線程怠堪，但是可并行執(zhí)行揽乱。
• 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation） 首先對(duì)各個(gè)Region中的回收價(jià)值和成本進(jìn)行排序名眉，根據(jù)用戶所期望的GC 停頓是時(shí)間來制定回收計(jì)劃。此階段其實(shí)也可以做到與用戶程序一起并發(fā)執(zhí)行凰棉，但是因?yàn)橹换厥找徊糠諶egion损拢，時(shí)間是用戶可控制的，而且停頓用戶線程將大幅度提高收集效率撒犀。

通過下圖可以比較清楚地看到G1收集器的運(yùn)作步驟中并發(fā)和需要停頓的階段（Safepoint處）：

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總結(jié)

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