CMS垃圾收集器的几个过程

本文详细解析了CMS垃圾回收器的工作原理及其各个阶段的过程,包括触发条件、不同阶段的任务执行及参数配置等内容。

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首先理解下Major GC,Full GC和CMS的区别:

1. Full GC == Major GC指的是对老年代/永久代的stop the world的GC
2. Full GC的次数 = 老年代GC时 stop the world的次数
3. Full GC的时间 = 老年代GC时 stop the world的总时间
4. CMS 不等于Full GC,我们可以看到CMS分为多个阶段,只有stop the world的阶段被计算到了Full GC的次数和时间,而和业务线程并发的GC的次数和时间则不被认为是Full GC
5. Full GC本身不会先进行Minor GC,我们可以配置,让Full GC之前先进行一次Minor GC,因为老年代很多对象都会引用到新生代的对象,先进行一次Minor GC可以提高老年代GC的速度。比如老年代使用CMS时,设置CMSScavengeBeforeRemark优化,让CMS remark之前先进行一次Minor GC。

当使用CMS收集器时,当开始进行收集时,old代的收集过程如下所示:
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old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;
4,当cms gc开始时,首先的阶段是CMS-initial-mark,此阶段是初始标记阶段,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;
     CMS-initial-mark:961330K(1572864K),指标记时,old代的已用空间和总空间
5,下一个阶段是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
       此阶段会打印2条日志:CMS-concurrent-mark-start,CMS-concurrent-mark
6,下一个阶段是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Rescan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
            此阶段的部分工作:标记新进入old区的对象(新晋升,新分配),以及在并发阶段被修改了的对象。

     此阶段会打印2条日志:CMS-concurrent-preclean-start,CMS-concurrent-preclean
7,下一阶段是CMS-concurrent-abortable-preclean阶段,加入此阶段的目的是使cms gc更加可控一些,作用也是执行一些预清理,以减少Rescan阶段造成应用暂停的时间
            此阶段的工作为:
            可中断的并发预清理阶段:
            -在并发预清理完成后开始
            -策略如下:
                当前新生代< 2M,直接启动remark,跳过该阶段, 这时候需要扫描的新生代对象少
                > 2M && < 50%, 说明刚执行完ygc不久,已经在ygc时stw一次了,为了让remark的stw与上一次有间隔,所以此时等待新生代占用>50%后中断
                > 50%,等待一次ygc,时间最长默认为5s,不管是否发生ygc都中断, 等待remark准备ok可以随时被中断
                另提供CMSScavengeBeforeRemark参数,使remark前强制进行一次YGC
                2M (默认值)参数:CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold
                50% (默认值)参数:CMSScheduleRemarkEdenPenetration
                5s  (默认值)参数:CMSMaxAbortablePrecleanTime


            
     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eden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
      此阶段会打印一些日志如下:
     CMS-concurrent-abortable-preclean-start,CMS-concurrent-abortable-preclean,
      CMS:abort preclean due to time XXX
8,再下一个阶段是第二个stop the world阶段了,即Rescan阶段,此阶段暂停应用线程,对对象进行重新扫描并标记;
       YG occupancy:964861K(2403008K),指执行时young代的情况
       CMS remark:961330K(1572864K),指执行时old代的情况
      此外,还打印出了弱引用处理、类卸载等过程的耗时
9,再下一个阶段是CMS-concurrent-sweep,进行并发的垃圾清理
10,最后是CMS-concurrent-reset,为下一次cms gc重置相关数据结构
11,full gc:
有2种情况会触发full gc,在full gc时,整个应用会暂停
       A,concurrent-mode-failure:当cms gc正进行时,此时有新的对象要进行old代,但是old代空间不足造成的
       B,promotion-failed:当进行young gc时,有部分young代对象仍然可用,但是S1或S2放不下,因此需要放到old代,但此时old代空间无法容纳此。


影响cms gc时长及触发的参数是以下2个:
        -XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5000
        -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80
解决也是针对这两个参数来的,根本的原因是每次请求消耗的内存量过大
解决方式:
      A,针对cms gc的触发阶段,调整-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=50,提早触发cms gc,就可以缓解当old代达到80%,cms gc处理不完,从而造成concurrent mode failure引发full gc
     B,修改-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500,缩小CMS-concurrent-abortable-preclean阶段的时间
     C,考虑到cms gc时不会进行compact,因此加入-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
       (cms gc后会进行内存的compact)和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4(在full gc4次后会进行compact)参数 
### JVM CMS垃圾收集器工作原理 CMS(Concurrent Mark-Sweep)是一种面向低延迟场景设计的垃圾回收器,主要针对老年代进行垃圾回收。其核心目标是减少停顿时间(Stop-The-World, STW),从而提升应用响应速度。 #### 并发标记清除机制 CMS基于标记-清除算法实现,在清理垃圾时不涉及对象移动操作[^2]。这意味着引用地址保持不变,减少了因对象位置改变而引发的暂停。然而,由于未移动对象可能导致内存碎片化问题,这可能会影响后续分配效率。 #### 主要阶段解析 CMS的工作过程分为以下几个重要阶段: 1. **初始标记 (Initial Mark)** 初始标记是一个短暂的STW阶段,用于记录当前可达的对象集合起点。此阶段仅需遍历根节点(Root Set),耗时较短[^3]。 2. **并发标记 (Concurrent Marking)** 在这一阶段,GC线程与应用程序线程并行运行,完成整个堆中活动对象的标记。如果在此期间某些对象变为不可达,则它们会被视为浮动垃圾处理。 3. **重新标记 (Remark)** 这又是一次STW事件,目的是修正并发标记期间可能出现的变化情况。通过增量更新或SATB等技术手段解决漏标问题。 4. **并发清扫 (Concurrent Sweep)** 清扫阶段同样允许用户线程继续执行,负责释放那些已被确认为无用的空间资源。 5. **重置 (Reset)** 完成一轮周期后进入重置状态准备下一次循环[^5]。 #### 调优参数设置建议 为了使CMS更好地适应具体应用场景需求,可以通过调整相关参数来进行性能优化: - `-XX:+UseConcMarkSweepGC` 启动CMS作为默认的老年区收集策略。 - `–Xmn<size>` 设置年轻代大小,合理规划两代间比例有助于降低整体压力。 - `-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<percent>` 控制触发条件,默认值70%,即当老生代使用率达到该百分比时启动CMS进程[^1]。 - 使用`-XX:+PrintGCDetails` 和 `-verbose:gc` 开启详细的日志输出以便分析诊断实际表现状况。 ```bash java -server \ -Xms<initial heap size> \ -Xmx<maximum heap size> \ -XX:+UseConcMarkSweepGC \ -XX:ParallelCMSThreads=<number of threads> \ -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<percentage> ``` 以上脚本展示了如何指定基本内存范围以及启用特定数量的辅助线程参与CMS任务管理。 ### 浮动垃圾及其影响评估 尽管存在少量未能及时识别出来的废弃实例——所谓“浮动垃圾”,但这通常不会对系统的正常运作构成威胁,因为这些残留物会在随后发生的常规维护活动中得到妥善处置。
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