CMS垃圾回收器

2 CMS简介

CMS(Concurrent Mark and Swee 并发-标记-清除)，是一款基于并发、使用标记清除算法的垃圾回收算法，只针对老年代进行垃圾回收。CMS收集器工作时，尽可能让GC线程和用户线程并发执行，以达到降低STW时间的目的

通过以下命令行参数，启用CMS垃圾收集器:

-XX:+UseConcMarkSweepGC

值得补充的是，下面介绍到的CMS GC是指老年代的GC，而Full GC指的是整个堆的GC事件，包括新生代、老年代、元空间等，两者有所区分

3 新生代垃圾回收

能与CMS搭配使用的新生代垃圾收集器有Serial收集器和ParNew收集器。这2个收集器都采用标记复制算法，都会触发STW事件，停止所有的应用线程。不同之处在于，Serial是单线程执行，ParNew是多线程执行

4 老年代垃圾回收

CMS GC以获取最小停顿时间为目的，尽可能减少STW时间，可以分为7个阶段

• 阶段 1: 初始标记(Initial Mark)

此阶段的目标是标记老年代中所有存活的对象, 包括 GC Root 的直接引用, 以及由新生代中存活对象所引用的对象，触发第一次STW事件

这个过程是支持多线程的（JDK7之前单线程，JDK8之后并行，可通过参数CMSParallelInitialMarkEnabled调整）

• 阶段 2: 并发标记(Concurrent Mark)

此阶段GC线程和应用线程并发执行，遍历阶段1初始标记出来的存活对象，然后继续递归标记这些对象可达的对象

• 阶段 3: 并发预清理(Concurrent Preclean)

此阶段GC线程和应用线程也是并发执行，因为阶段2是与应用线程并发执行，可能有些引用关系已经发生改变。
通过卡片标记(Card Marking)，提前把老年代空间逻辑划分为相等大小的区域(Card)，如果引用关系发生改变，JVM会将发生改变的区域标记位“脏区”(Dirty Card)，然后在本阶段，这些脏区会被找出来，刷新引用关系，清除“脏区”标记

• 阶段 4: 并发可取消的预清理(Concurrent Abortable Preclean)

此阶段也不停止应用线程. 本阶段尝试在 STW 的 最终标记阶段(Final Remark)之前尽可能地多做一些工作，以减少应用暂停时间
在该阶段不断循环处理：标记老年代的可达对象、扫描处理Dirty Card区域中的对象，循环的终止条件有：
1 达到循环次数
2 达到循环执行时间阈值
3 新生代内存使用率达到阈值

• 阶段 5: 最终标记(Final Remark)

这是GC事件中第二次(也是最后一次)STW阶段，目标是完成老年代中所有存活对象的标记。在此阶段执行：
1 遍历新生代对象，重新标记
2 根据GC Roots，重新标记
3 遍历老年代的Dirty Card，重新标记

• 阶段 6: 并发清除(Concurrent Sweep)

此阶段与应用程序并发执行，不需要STW停顿，根据标记结果清除垃圾对象

• 阶段 7: 并发重置(Concurrent Reset)

此阶段与应用程序并发执行，重置CMS算法相关的内部数据, 为下一次GC循环做准备

5 CMS常见问题

最终标记阶段停顿时间过长问题

CMS的GC停顿时间约80%都在最终标记阶段(Final Remark)，若该阶段停顿时间过长，常见原因是新生代对老年代的无效引用，在上一阶段的并发可取消预清理阶段中，执行阈值时间内未完成循环，来不及触发Young GC，清理这些无效引用

通过添加参数：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark。在执行最终操作之前先触发Young GC，从而减少新生代对老年代的无效引用，降低最终标记阶段的停顿，但如果在上个阶段(并发可取消的预清理)已触发Young GC，也会重复触发Young GC

并发模式失败(concurrent mode failure) & 晋升失败(promotion failed)问题

并发模式失败：当CMS在执行回收时，新生代发生垃圾回收，同时老年代又没有足够的空间容纳晋升的对象时，CMS 垃圾回收就会退化成单线程的Full GC。所有的应用线程都会被暂停，老年代中所有的无效对象都被回收

晋升失败：当新生代发生垃圾回收，老年代有足够的空间可以容纳晋升的对象，但是由于空闲空间的碎片化，导致晋升失败，此时会触发单线程且带压缩动作的Full GC

并发模式失败和晋升失败都会导致长时间的停顿，常见解决思路如下：

• 降低触发CMS GC的阈值，即参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值，让CMS GC尽早执行，以保证有足够的空间

• 增加CMS线程数，即参数-XX:ConcGCThreads，

• 增大老年代空间

• 让对象尽量在新生代回收，避免进入老年代

内存碎片问题

通常CMS的GC过程基于标记清除算法，不带压缩动作，导致越来越多的内存碎片需要压缩，常见以下场景会触发内存碎片压缩：

• 新生代Young GC出现新生代晋升担保失败(promotion failed)

• 程序主动执行System.gc()

可通过参数CMSFullGCsBeforeCompaction的值，设置多少次Full GC触发一次压缩，默认值为0，代表每次进入Full GC都会触发压缩，带压缩动作的算法为上面提到的单线程Serial Old算法，暂停时间(STW)时间非常长，需要尽可能减少压缩时间