GC 知識點補充——CMS

以前已經講過了很多有關 GC 的內容，今天準備將以前沒有細講的部分進行補充，首先要提到的就是垃圾收集器。

基礎的回收方式有三種：清除、壓縮、複製，衍生出來的垃圾收集器有：

Serial 收集器

新生代收集器，使用中止複製算法，使用一個線程進行 GC ，串行，其它工做線程暫停。

使用-XX:+UseSerialGC開關來控制使用Serial + Serial Old模式運行進行內存回收（這也是虛擬機在 Client 模式下運行的默認值）。

ParNew 收集器

新生代收集器，使用中止複製算法，Serial 收集器的多線程版，用多個線程進行 GC ，並行，其它工做線程暫停，關注縮短垃圾收集時間。

使用-XX:+UseParNewGC開關來控制使用ParNew + Serial Old收集器組合收集內存；使用-XX:ParallelGCThreads來設置執行內存回收的線程數。

Parallel Scavenge 收集器

新生代收集器，使用中止複製算法，關注 CPU 吞吐量，即運行用戶代碼的時間/總時間，好比：JVM 運行 100 分鐘，其中運行用戶代碼 99 分鐘，垃 圾收集 1 分鐘，則吞吐量是 99% ，這種收集器能最高效率的利用 CPU ，適合運行後臺運算（其餘關注縮短垃圾收集時間的收集器，如 CMS ，等待時間不多，因此適 合用戶交互，提升用戶體驗）。

使用-XX:+UseParallelGC開關控制使用Parallel Scavenge + Serial Old收集器組合回收垃圾（這也是在 Server 模式下的默認值）；使用-XX:GCTimeRatio來設置用戶執行時間佔總時間的比例，默認 99 ，即 1% 的時間用來進行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis設置 GC 的最大停頓時間（這個參數只對 Parallel Scavenge 有效），用開關參數-XX:+UseAdaptiveSizePolicy能夠進行動態控制，如自動調整 Eden / Survivor 比例，老年代對象年齡，新生代大小等，這個參數在 ParNew 下沒有。

Serial Old 收集器

老年代收集器，單線程收集器，串行，使用標記-整理算法，使用單線程進行GC，其它工做線程暫停（注意：在老年代中進行標記-整理算法清理，也須要暫停其它線程），在JDK1.5以前，Serial Old 收集器與 ParallelScavenge 搭配使用。

整理的方法是 Sweep （清除）和 Compact （壓縮），清除是將廢棄的對象幹掉，只留倖存的對象，壓縮是移動對象，將空間填滿保證內存分爲2塊，一塊全是對象，一塊空閒），

Parallel Old 收集器

老年代收集器，多線程，並行，多線程機制與 Parallel Scavenge 差不錯，使用標記-整理算法，在 Parallel Old 執行時，仍然須要暫停其它工做線程。

Parallel Old 收集器的整理，與 Serial Old 不一樣，這裏的整理是Copy（複製）和Compact（壓縮），複製的意思就是將倖存的對象複製到預先準備好的區域，而不是像Sweep（清除）那樣清除廢棄的對象。

Parallel Old 在多核計算中頗有用。 Parallel Old 出現後（JDK 1.6），與 Parallel Scavenge 配合有很好的效果，充分體現 Parallel Scavenge 收集器吞吐量優先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC開關控制使用Parallel Scavenge + Parallel Old組合收集器進行收集。

CMS

全稱 Concurrent Mark Sweep，老年代收集器，致力於獲取最短回收停頓時間（即縮短垃圾回收的時間），使用標記-清除算法，多線程，優勢是併發收集（用戶線程能夠和 GC 線程同時工做），停頓小。

使用-XX:+UseConcMarkSweepGC進行ParNew + CMS + Serial Old進行內存回收，優先使用ParNew + CMS（緣由見後面），當用戶線程內存不足時，採用備用方案Serial Old收集。

如何開始

首先來看一下 CMS 是在什麼狀況下進行 GC：

1. 首先 JVM 根據-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction、-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly來決定什麼時間開始垃圾收集。
2. 若是設置了-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那麼只有當老年代佔用確實達到了-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction參數所設定的比例時纔會觸發 CMS GC。
3. 若是沒有設置-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那麼系統會根據統計數據自行決定何時觸發 CMS GC。所以有時會遇到設置了 80% 比例才 CMS GC，可是 50% 時就已經觸發了，就是由於這個參數沒有設置的緣由。

具體執行

CMS GC 的執行過程，具體來講就是：

初始標記(CMS-initial-mark)

該階段是 stop the world 階段，所以此階段標記的對象只是從 root 集最直接可達的對象。

此階段會打印 1 條日誌：CMS-initial-mark：961330K（1572864K），指標記時，老年代的已用空間和總空間

併發標記(CMS-concurrent-mark)

此階段是和應用線程併發執行的，所謂併發收集器指的就是這個，主要做用是標記可達的對象，此階段不須要用戶線程停頓。

此階段會打印 2 條日誌：CMS-concurrent-mark-start，CMS-concurrent-mark

預清理(CMS-concurrent-preclean)

此階段主要是進行一些預清理，由於標記和應用線程是併發執行的，所以會有些對象的狀態在標記後會改變，此階段正是解決這個問題。由於以後的 CMS-remark 階段也會 stop the world，爲了使暫停的時間儘量的小，也須要 preclean 階段先作一部分工做以節省時間。

此階段會打印 2 條日誌：CMS-concurrent-preclean-start，CMS-concurrent-preclean

可控預清理(CMS-concurrent-abortable-preclean)

此階段的目的是使 CMS GC 更加可控一些，做用也是執行一些預清理，以減小 CMS-remark 階段形成應用暫停的時間。

此階段涉及幾個參數：

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime：當 abortable-preclean 階段執行達到這個時間時纔會結束。
    -XX:CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold（默認2m）：控制 abortable-preclean 階段何時開始執行，即當年輕代使用達到此值時，纔會開始 abortable-preclean 階段。
    -XX:CMSScheduleRemarkEdenPenetratio（默認50%）：控制 abortable-preclean 階段何時結束執行。複製代碼

此階段會打印 3 條日誌：CMS-concurrent-abortable-preclean-start，CMS-concurrent-abortable-preclean，CMS：abort preclean due to time XXX

從新標記(CMS-remark)

此階段暫停應用線程，停頓時間比並發標記小得多，但比初始標記稍長，由於會對全部對象進行從新掃描並標記。

此階段會打印如下日誌：

1. YG occupancy：964861K（2403008K），指執行時年輕代的狀況。
2. CMS remark：961330K（1572864K），指執行時老年代的狀況。
3. 此外，還打印出了弱引用處理、類卸載等過程的耗時。

併發清除(CMS-concurrent-sweep)

此階段進行併發的垃圾清理。

併發重設狀態等待下次CMS的觸發(CMS-concurrent-reset)

此階段是爲下一次 CMS GC 重置相關數據結構。

總結

CMS 的收集過程，歸納一下就是：2 次標記，2 次預清除，1 次從新標記，1 次清除。

在CMS清理過程當中，只有初始標記和從新標記須要短暫停頓用戶線程，併發標記和併發清除都不須要暫停用戶線程，所以效率很高，很適合高交互的場合。

CMS也有缺點，它須要消耗額外的 CPU 和內存資源。在 CPU 和內存資源緊張，會加劇系統負擔（CMS 默認啓動線程數爲( CPU數量 + 3 ) / 4 ）。

另外，在併發收集過程當中，用戶線程仍然在運行，仍然產生內存垃圾，因此可能產生「浮動垃圾」（本次沒法清理，只能下一次Full GC才清理）。所以在 GC 期間，須要預留足夠的內存給用戶線程使用。

因此使用 CMS 的收集器並非老年代滿了才觸發 Full GC ，而是在使用了一大半（默認 68% ，即 2/3 ，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction來設置）的時候就要進行 Full GC。若是用戶線程消耗內存不是特別大，能夠適當調高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以下降 GC 次數，提升性能。若是預留的用戶線程內存不夠，則會觸發 Concurrent Mode Failure，此時，將觸發備用方案：使用 Serial Old 收集器進行收集，但這樣停頓時間就長了，所以-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜設的過大。

還有，CMS 採用的是標記-清除算法，會致使內存碎片的產生，可使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection來設置是否在 Full GC 以後進行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction來設置在執行多少次不壓縮的 Full GC 以後，來一次帶壓縮的 Full GC。

併發和並行

併發收集：

指用戶線程與GC線程同時執行（不必定是並行，可能交替，但整體上是在同時執行的），不須要停頓用戶線程（其實在 CMS 中用戶線程仍是須要停頓的，只是很是短，GC 線程在另外一個 CPU 上執行）；

並行收集：

指多個 GC 線程並行工做，但此時用戶線程是暫停的；

因此，Serial 是串行的，Parallel 收集器是並行的，而 CMS 收集器是併發的。

總結

今天瞭解了一下普通的垃圾收集器，而且詳細介紹了 CMS，其特性實際上是基於普通的垃圾算法，增長了預處理、預清除的過程，所以效率更加優越。固然它也有本身的缺點，更加消耗資源，所以在選用的時候須要結合實際場景。

有興趣的話能夠訪問個人博客或者關注個人公衆號、頭條號，說不定會有意外的驚喜。

death00.github.io/