CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

最新推荐文章于 2025-02-15 05:00:00 发布

jaryle

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分类专栏： jvm调优

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CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

C : Concurrent

M : 标记（marking）对象：GC必须记住哪些对象可达，以便删除不可达的对象

S : 清除（sweeping）：删除未标记的对象并释放它们的内存

CMS是一种以最短停顿时间为目标的收集器，使用CMS并不能达到GC效率最高，但它尽可能降低GC时服务的停顿时间。

使用标记-清除算法（Mark Sweep），在运行时会产生内存碎片

虚拟机提供了参数开启CMS收集结束后再进行一次内存压缩。

-XX:+UseConcMarkSweepGC

激活CMS收集器。默认HotSpot JVM使用的是并行收集器

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

设置在垃圾收集器后是否需要一次内存碎片整理过程，仅在CMS收集器时有效

-XX:+CMSFullGCBeforeCompaction

设置CMS收集器在进行若干次垃圾收集后再进行一次内存碎片整理过程

通常与UseCMSCompactAtFullCollection参数一起使用

CMS垃圾回收整个过程分为六个步骤：

1. 初始标记 (CMS initial mark) 会STW(Stop The World)

为了收集应用程序的对象引用需要暂停应用程序线程

该阶段完成后，应用程序线程再次启动

2. 并发标记 (CMS concurrent mark)

从第一阶段收集到的对象引用开始，遍历所有其他的对象引用

3. 并发预清理(CMS-concurrent-preclean)

改变当运行第二阶段时，由应用程序线程产生的对象引用，以更新第二阶段的结果

4. 重新标记 (CMS remark) 会STW

由于第三阶段是并发的，对象引用可能会发生进一步改变，因此应用程序线程会再一次被暂停以更新这些变化

并且在进行实际的清理之前确保一个正确的对象引用视图

5. 并发清理 (CMS concurrent sweep)

所有不再被引用的对象将从堆里清除掉

6. 并发重置：

收集器做一些收尾的工作，以便下一次GC周期能有一个干净的状态

从上面的6个阶段可以看出，cms为老生代垃圾回收提供了几乎完全并发的解决方案，然而新生代则仍然通过“stop-the-world”方法来收集，对于交互应用，暂停时间也是可以接受的，因为新生代的垃圾回收时间是很短暂的。

CMS的两个挑战：

1. 堆碎片

CMS收集器默认并没有任何碎片整理的机制。所以可能会出现这样的情形：

即使总的堆大小远没有耗尽但却不能分配对象，仅仅是因为没有足够连续的空间完全容纳对象。

当这种事发生后，JVM会触发Full GC，

full gc会采用吞吐量的垃圾回收算法（1，引用计数，2，标记-清理3，复制4，标记-整理）中的复制和标记清理来解决碎片问题，但是又会暂停时间，因此尽管cms可以带来几乎完全并发性，但是仍可能会出现长时间的“stop-the-world”的风险，因此这种设计，不能避免的----我们只能通过调优收集器来尽可能的避免，要想100%的解决“stop-the-world”，是不现实。

2. 对象分配率高

获取对象实例的频率高于收集器清除堆里死对象的频率

并发模式失败：老年代没有足够的可用空间来容纳一个从年轻代提升过来的对象

此时JVM会执行堆碎片整理：触发Full GC

当这些情形之一出现的时候，经常被证实是老年代有大量不必要的对象。

一个可行的办法：增加年轻代的堆大小（增加Survior区的个数），以防止年轻代生命周期短的对象提前进入老年代。

其他方法：另一个办法就似乎利用分析器，快照运行系统的堆转储

利用jmap和jhat分析过度的对象分配，找出这些对象，最终减少这些对象的申请。

下面我看看大多数与CMS收集器调优相关的JVM标志参数。

-XX：+UseConcMarkSweepGC

该标志首先是激活CMS收集器。默认HotSpot JVM使用的是并行收集器。

-XX：UseParNewGC

当使用CMS收集器时，该标志激活年轻代使用多线程并行执行垃圾回收。这令人很惊讶，我们不能简单在并行收集器中重用-XX：UserParNewGC标志，因为概念上年轻代用的算法是一样的。然而，对于CMS收集器，年轻代GC算法和老年代GC算法是不同的，因此年轻代GC有两种不同的实现，并且是两个不同的标志。

注意最新的JVM版本，当使用-XX：+UseConcMarkSweepGC时，-XX：UseParNewGC会自动开启。因此，如果年轻代的并行GC不想开启，可以通过设置-XX：-UseParNewGC来关掉。

-XX：+CMSConcurrentMTEnabled

当该标志被启用时，并发的CMS阶段将以多线程执行(因此，多个GC线程会与所有的应用程序线程并行工作)。该标志已经默认开启，如果顺序执行更好，这取决于所使用的硬件，多线程执行可以通过-XX：-CMSConcurremntMTEnabled禁用。

-XX：ConcGCThreads

标志-XX：ConcGCThreads=<value>(早期JVM版本也叫-XX:ParallelCMSThreads)定义并发CMS过程运行时的线程数。比如value=4意味着CMS周期的所有阶段都以4个线程来执行。尽管更多的线程会加快并发CMS过程，但其也会带来额外的同步开销。因此，对于特定的应用程序，应该通过测试来判断增加CMS线程数是否真的能够带来性能的提升。

如果还标志未设置，JVM会根据并行收集器中的-XX：ParallelGCThreads参数的值来计算出默认的并行CMS线程数。该公式是ConcGCThreads = (ParallelGCThreads + 3)/4。因此，对于CMS收集器， -XX:ParallelGCThreads标志不仅影响“stop-the-world”垃圾收集阶段，还影响并发阶段。

总之，有不少方法可以配置CMS收集器的多线程执行。正是由于这个原因,建议第一次运行CMS收集器时使用其默认设置, 然后如果需要调优再进行测试。只有在生产系统中测量(或类生产测试系统)发现应用程序的暂停时间的目标没有达到 , 就可以通过这些标志应该进行GC调优。

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction

当堆满之后，并行收集器便开始进行垃圾收集，例如，当没有足够的空间来容纳新分配或提升的对象。对于CMS收集器，长时间等待是不可取的，因为在并发垃圾收集期间应用持续在运行(并且分配对象)。因此，为了在应用程序使用完内存之前完成垃圾收集周期，CMS收集器要比并行收集器更先启动。

因为不同的应用会有不同对象分配模式，JVM会收集实际的对象分配(和释放)的运行时数据，并且分析这些数据，来决定什么时候启动一次CMS垃圾收集周期。为了引导这一过程， JVM会在一开始执行CMS周期前作一些线索查找。该线索由 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<value>来设置，该值代表老年代堆空间的使用率。比如，value=75意味着第一次CMS垃圾收集会在老年代被占用75%时被触发。通常CMSInitiatingOccupancyFraction的默认值为68(之前很长时间的经历来决定的)。

-XX：+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

我们用-XX+UseCMSInitiatingOccupancyOnly标志来命令JVM不基于运行时收集的数据来启动CMS垃圾收集周期。而是，当该标志被开启时，JVM通过CMSInitiatingOccupancyFraction的值进行每一次CMS收集，而不仅仅是第一次。然而，请记住大多数情况下，JVM比我们自己能作出更好的垃圾收集决策。因此，只有当我们充足的理由(比如测试)并且对应用程序产生的对象的生命周期有深刻的认知时，才应该使用该标志。

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled

相对于并行收集器，CMS收集器默认不会对永久代进行垃圾回收。如果希望对永久代进行垃圾回收，可用设置标志-XX:+CMSClassUnloadingEnabled。在早期JVM版本中，要求设置额外的标志-XX:+CMSPermGenSweepingEnabled。注意，即使没有设置这个标志，一旦永久代耗尽空间也会尝试进行垃圾回收，但是收集不会是并行的，而再一次进行Full GC。

-XX:+CMSIncrementalMode

该标志将开启CMS收集器的增量模式。增量模式经常暂停CMS过程，以便对应用程序线程作出完全的让步。因此，收集器将花更长的时间完成整个收集周期。因此，只有通过测试后发现正常CMS周期对应用程序线程干扰太大时，才应该使用增量模式。由于现代服务器有足够的处理器来适应并发的垃圾收集，所以这种情况发生得很少。

-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent and -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses

如今,被广泛接受的最佳实践是避免显式地调用GC(所谓的“系统GC”)，即在应用程序中调用system.gc()。然而，这个建议是不管使用的GC算法的，值得一提的是，当使用CMS收集器时，系统GC将是一件很不幸的事，因为它默认会触发一次Full GC。幸运的是，有一种方式可以改变默认设置。标志-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent命令JVM无论什么时候调用系统GC，都执行CMS GC，而不是Full GC。第二个标志-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses保证当有系统GC调用时，永久代也被包括进CMS垃圾回收的范围内。因此，通过使用这些标志，我们可以防止出现意料之外的”stop-the-world”的系统GC。