GC 知识点补充——CMS

之前已经讲过了不少有关 GC 的内容，今天准备将之前没有细讲的部分进行补充，首先要提到的就是垃圾收集器。

基础的回收方式有三种：清除、压缩、复制，衍生出来的垃圾收集器有：

Serial 收集器

新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行 GC ，串行，其它工作线程暂停。

使用-XX:+UseSerialGC开关来控制使用Serial + Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在 Client 模式下运行的默认值）。

ParNew 收集器

新生代收集器，使用停止复制算法，Serial 收集器的多线程版，用多个线程进行 GC ，并行，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。

使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew + Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。

Parallel Scavenge 收集器

新生代收集器，使用停止复制算法，关注 CPU 吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM 运行 100 分钟，其中运行用户代码 99 分钟，垃 圾收集 1 分钟，则吞吐量是 99% ，这种收集器能最高效率的利用 CPU ，适合运行后台运算（其他关注缩短垃圾收集时间的收集器，如 CMS ，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。

使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用Parallel Scavenge + Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在 Server 模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认 99 ，即 1% 的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置 GC 的最大停顿时间（这个参数只对 Parallel Scavenge 有效），用开关参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy可以进行动态控制，如自动调整 Eden / Survivor 比例，老年代对象年龄，新生代大小等，这个参数在 ParNew 下没有。

Serial Old 收集器

老年代收集器，单线程收集器，串行，使用标记-整理算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意：在老年代中进行标记-整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old 收集器与 ParallelScavenge 搭配使用。

整理的方法是 Sweep （清除）和 Compact （压缩），清除是将废弃的对象干掉，只留幸存的对象，压缩是移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲），

Parallel Old 收集器

老年代收集器，多线程，并行，多线程机制与 Parallel Scavenge 差不错，使用标记-整理算法，在 Parallel Old 执行时，仍然需要暂停其它工作线程。

Parallel Old 收集器的整理，与 Serial Old 不同，这里的整理是Copy（复制）和Compact（压缩），复制的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清除）那样清除废弃的对象。

Parallel Old 在多核计算中很有用。Parallel Old 出现后（JDK 1.6），与 Parallel Scavenge 配合有很好的效果，充分体现 Parallel Scavenge 收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge + Parallel Old组合收集器进行收集。

CMS

全称 Concurrent Mark Sweep，老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间（即缩短垃圾回收的时间），使用标记-清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和 GC 线程同时工作），停顿小。

使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew + CMS + Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew + CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。

如何开始

首先来看一下 CMS 是在什么情况下进行 GC：

1. 首先 JVM 根据-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction、-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly来决定什么时间开始垃圾收集。
2. 如果设置了-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那么只有当老年代占用确实达到了-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数所设定的比例时才会触发 CMS GC。
3. 如果没有设置-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那么系统会根据统计数据自行决定什么时候触发 CMS GC。因此有时会遇到设置了 80% 比例才 CMS GC，但是 50% 时就已经触发了，就是因为这个参数没有设置的原因。

具体执行

CMS GC 的执行过程，具体来说就是：

初始标记(CMS-initial-mark)

该阶段是 stop the world 阶段，因此此阶段标记的对象只是从 root 集最直接可达的对象。

此阶段会打印 1 条日志：CMS-initial-mark：961330K（1572864K），指标记时，老年代的已用空间和总空间

并发标记(CMS-concurrent-mark)

此阶段是和应用线程并发执行的，所谓并发收集器指的就是这个，主要作用是标记可达的对象，此阶段不需要用户线程停顿。

此阶段会打印 2 条日志：CMS-concurrent-mark-start，CMS-concurrent-mark

预清理(CMS-concurrent-preclean)

此阶段主要是进行一些预清理，因为标记和应用线程是并发执行的，因此会有些对象的状态在标记后会改变，此阶段正是解决这个问题。因为之后的 CMS-remark 阶段也会 stop the world，为了使暂停的时间尽可能的小，也需要 preclean 阶段先做一部分工作以节省时间。

此阶段会打印 2 条日志：CMS-concurrent-preclean-start，CMS-concurrent-preclean

可控预清理(CMS-concurrent-abortable-preclean)

此阶段的目的是使 CMS GC 更加可控一些，作用也是执行一些预清理，以减少 CMS-remark 阶段造成应用暂停的时间。

此阶段涉及几个参数：

    -XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime：当 abortable-preclean 阶段执行达到这个时间时才会结束。
    -XX:CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold（默认2m）：控制 abortable-preclean 阶段什么时候开始执行，即当年轻代使用达到此值时，才会开始 abortable-preclean 阶段。
    -XX:CMSScheduleRemarkEdenPenetratio（默认50%）：控制 abortable-preclean 阶段什么时候结束执行。

此阶段会打印 3 条日志：CMS-concurrent-abortable-preclean-start，CMS-concurrent-abortable-preclean，CMS：abort preclean due to time XXX

重新标记(CMS-remark)

此阶段暂停应用线程，停顿时间比并发标记小得多，但比初始标记稍长，因为会对所有对象进行重新扫描并标记。

此阶段会打印以下日志：

1. YG occupancy：964861K（2403008K），指执行时年轻代的情况。
2. CMS remark：961330K（1572864K），指执行时老年代的情况。
3. 此外，还打印出了弱引用处理、类卸载等过程的耗时。

并发清除(CMS-concurrent-sweep)

此阶段进行并发的垃圾清理。

并发重设状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)

此阶段是为下一次 CMS GC 重置相关数据结构。

总结

CMS 的收集过程，概括一下就是：2 次标记，2 次预清除，1 次重新标记，1 次清除。

在CMS清理过程中，只有初始标记和重新标记需要短暂停顿用户线程，并发标记和并发清除都不需要暂停用户线程，因此效率很高，很适合高交互的场合。

CMS也有缺点，它需要消耗额外的 CPU 和内存资源。在 CPU 和内存资源紧张，会加重系统负担（CMS 默认启动线程数为( CPU数量 + 3 ) / 4 ）。

另外，在并发收集过程中，用户线程仍然在运行，仍然产生内存垃圾，所以可能产生“浮动垃圾”（本次无法清理，只能下一次Full GC才清理）。因此在 GC 期间，需要预留足够的内存给用户线程使用。

所以使用 CMS 的收集器并不是老年代满了才触发 Full GC ，而是在使用了一大半（默认 68% ，即 2/3 ，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置）的时候就要进行 Full GC。如果用户线程消耗内存不是特别大，可以适当调高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低 GC 次数，提高性能。如果预留的用户线程内存不够，则会触发 Concurrent Mode Failure，此时，将触发备用方案：使用 Serial Old 收集器进行收集，但这样停顿时间就长了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜设的过大。

还有，CMS 采用的是标记-清除算法，会导致内存碎片的产生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection来设置是否在 Full GC 之后进行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction来设置在执行多少次不压缩的 Full GC 之后，来一次带压缩的 Full GC。

并发和并行

并发收集：

指用户线程与GC线程同时执行（不一定是并行，可能交替，但总体上是在同时执行的），不需要停顿用户线程（其实在 CMS 中用户线程还是需要停顿的，只是非常短，GC 线程在另一个 CPU 上执行）；

并行收集：

指多个 GC 线程并行工作，但此时用户线程是暂停的；

所以，Serial 是串行的，Parallel 收集器是并行的，而 CMS 收集器是并发的。

总结

今天了解了一下普通的垃圾收集器，并且详细介绍了 CMS，其特性其实是基于普通的垃圾算法，增加了预处理、预清除的过程，因此效率更加优越。当然它也有自己的缺点，更加消耗资源，因此在选用的时候需要结合实际场景。