JVM垃圾收集算法-CMS

一、概述

CMS为老年代的并发收集器，即在对老年代进行gc时，与用户线程并发执行；基于标记-清除算法实现，对于大于3G小于8G的堆较合适。gc过程分为：初始标记（其中标记为标记活动的对象，没有被标记的则表示可回收的对象），并发标记，重新标记，并发清除和并发重置五个阶段，其中初始标记，重新标记会出现STW，如下gc日志为显示这两种标记导致应用停顿的时间：

可通过：cat gc.log | grep -A 1 "CMS Final Remark"，进一步查看本次CMS造成应用实际停顿的时间。如下：

二、CMS对老年代进行垃圾收集的详细过程

1. 初始标记initMark：采用可达性分析，在老年代堆中标记GC ROOTS可以直接到达的对象，所以很快；

2. 并发标记：以初始标记中可达的对象为起点，标记所有可达对象，此过程与用户线程并发执行。之所以将标记分为初始标记和并发标记，而不是在一次标记里面完成，是因为通过在初始标记只标记从GC ROOTS直接可达的对象，而不继续往下标记，这样可以减少STW的时间，在并发标记时，再继续往下标记，此时与用户线程并发执行，不会造成停顿；

3. 重新标记Remark

（1）在并发标记阶段，用户线程在并发执行，所以此时可能出现某些对象从初始标记阶段时的不可达，在并发标记时，用户线程更新而变成可达，所以需要进行重新标记来避免这些对象被清理。这个阶段由于存在”跨代引用“，即新生代引用老年代，所以该阶段是从新生代开始的，所以涉及整个堆的扫描来确定哪些对象还存活。所以如果此时新生代存在较多存活对象，该阶段就会存在较长耗时。

（2）由于重新标记会扫描整个堆中的对象，包括新生代和老年代，为了缩短该阶段造成的STW，CMS会在该Remark之前，进行一次可中断的并发预清理（CMS-concurrent-abortable-preclean）：

并发预清理：与用户线程并发执行，功能是将新生代中在并发标记过程中晋升到老年代的对象清除，从而减少Remark所需扫描对象的数量。具体发生与否要看Eden的大小是否大于2M，这是默认值，可以修改。增加这个阶段的好处如果在这个阶段发生了MG，则此时新生代的大小就会变小，这样重新标记所需扫描对象就会减少，减少造成应用STW的时间。而CMS-concurrent-abortable-preclean也不是无限进行的，通过参数CMSMaxAbortablePrecleanTime，默认为5s，在CMS-concurrent-abortable-preclean执行超过5s时，则直接进入重新标记阶段。

（3）除了以上所说优化外，CMS还可以通过设置CMSScavengeBeforeRemark参数，强制Remark前执行一次MG，从而回收新生代中对象，减少新生代中需要扫描的对象。

4. 并发清除：并发清理年老代中除以上标记还存活对象之外的其他对象，此过程不会造成应用STW，同时也不会对内存进行压缩整理，会出现内存碎片。清除后，CMS不是简单地用一根指针执行未分配的空间，而是汇总到一个列表当中，当需要分配内存时，从该列表中寻找能放下该对象的内存空间。

5. 并发重置：与CMS相关的数据结构并重新初始化，准备下一次CMS收集。

整个标记清理过程如图：

各阶段线程分布于执行情况：

三、拓展思考

1. 何时压缩老年代空间：CMS使用的是标记清除算法，不会对老年代堆进行压缩，而CMS是属于Major GC，在Major GC后仍旧无法容纳对象时，则发生Full GC, Full GC会对老年代堆进行压缩。

2. 如果判断CMS算法效果：主要查看gc日志的初始标记initial mark和重新标记final remark的real耗时，这两个阶段会造成STW。同时整体效果需要查看stopped的时间，根据这个判断是否达到应用需求，如上面截图。

3. 新生代垃圾收集器：CMS只能与ParNew新生代垃圾收集器一起使用，开启为：-XX:+UseParNewGC，也可以不加该参数，CMS默认使用ParNew作为新生代垃圾收集器。

4.什么情况下CMS比较适合：

（1）响应时间优先，能接受牺牲一定的吞吐量，如果需要高响应时间和高吞吐量，推荐使用G1。后续文章再继续介绍G1。G1也是JDK9默认的垃圾收集器；

（2）硬件配置较高，即CPU和内存资源充足。CMS由于需要与用户线程并发执行，所以可能会竞争CPU资源。同时CMS并发标记阶段，用户线程同时执行时会新建对象，故内存占用会比较高；

（3）堆大小在3G到8G之间，同时存活时间较长的对象比较多。