CMS 垃圾回收器

Question

如果⽤Seria 和 Parallel 系列的垃圾收集器：在垃圾回收的时，⽤户线程都会完全停⽌，直⾄垃圾回收结束！

CMS 的全称：Concurrent Mark Sweep，翻译过来是「并发标记清除」。⽤CMS 对⽐上⾯的垃圾收集器(Seria 和 Parallel 和 parNew)：它最⼤的不同点就是「并发」：在 GC 线程⼯作的时候，⽤户线程「不会完全停⽌」，⽤户线程在「部分场景下」与 GC 线程⼀起并发执⾏。但是，要理解的是，⽆论是什么垃圾收集器，Stop The World 是⼀定⽆法避免的！CMS 只是在「部分」的 GC 场景下可以让 GC 线程与⽤户线程并发执⾏。CMS 的设计⽬标是为了避免「⽼年代 GC」出现「⻓时间」的卡顿（Stop The World）

CMS 工作流程

CMS 可以简单分为 5 个步骤：初始标记、并发标记、并发预清理、重新标记以及并发清除。

从步骤就不难看出，CMS 主要是实现了「标记清除」垃圾回收算法。我们从「初始标记」开始。「初始标记」会标记 GCRoots「直接关联」的对象以及「年轻代」指向「⽼年代」的对象，「初始标记」这个过程是会发⽣Stop The World 的。但这个阶段的速度算是很快的，因为没有「向下追溯」（只标记⼀层）。

在「初始标记」完了之后，就进⼊了「并发标记」阶段。「并发标记」这个过程是不会停⽌⽤户线程的（不会发⽣ Stop The World）。这⼀阶段主要是从 GC Roots 向下「追溯」，标记所有可达的对象。「并发标记」在 GC 的⻆度⽽⾔，是⽐较耗费时间的（需要追溯）。

「并发标记」这个阶段完成之后，就到了「并发预处理」阶段。「并发预处理」这个阶段主要想⼲的事情：希望能减少下⼀个阶段「重新标记」所消耗的时间。因为下⼀个阶段「重新标记」是需要 Stop The World 的。

「并发标记」这个阶段由于⽤户线程是没有被挂起的，所以对象是有可能发⽣变化的，可能有些对象，从新⽣代晋升到了⽼年代。可能有些对象，直接分配到了⽼年代（⼤对象）。可能⽼年代或者新⽣代的对象引⽤发⽣了变化...针对⽼年代的对象，其实还是可以借助类 card table 的存储（将⽼年代对象发⽣变化所对应的卡⻚标记为 dirty）。

所以「并发预处理」这个阶段会扫描可能由于「并发标记」时导致⽼年代发⽣变化的对象，会再扫描⼀遍标记为 dirty 的卡⻚，对于新⽣代的对象，我们还是得遍历新⽣代来看看在「并发标记」过程中有没有对象引⽤了⽼年代..不过 JVM⾥给我们提供了很多「参数」，有可能在这个过程中会触发⼀次 minor GC（触发了 minor GC 是意味着就可以更少地遍历新⽣代的对象）。

「并发预处理」这个阶段阶段结束后，就到了「重新标记」阶段。「重新标记」阶段会 Stop The World，这个过程的停顿时间其实很⼤程度上取决于上⾯「并发预处理」阶段（可以发现，这是⼀个追赶的过程：⼀边在标记存活对象，⼀边⽤户线程在执⾏产⽣垃圾）

最后就是「并发清除」阶段，不会 Stop The World，⼀边⽤户线程在执⾏，⼀边 GC 线程在回收不可达的对象。这个过程，还是有可能⽤户线程在不断产⽣垃圾，但只能留到下⼀次 GC 进⾏处理了，产⽣的这些垃圾被叫做“浮动垃圾”，完了以后会重置 CMS 算法相关的内部数据，为下⼀次 GC 循环做准备。

CMS 的回收过程，其实就是把垃圾回收的过程给细分了，然后在某些阶段可以不停⽌⽤户线程，⼀边回收垃圾，⼀边处理请求，来减少每次垃圾回收时Stop The World的时间。

CMS 缺点

1. 空间需要预留：CMS 垃圾收集器可以⼀边回收垃圾，⼀边处理⽤户线程，那需要在这个过程中保证有充⾜的内存空间供⽤户使⽤。如果 CMS 运⾏过程中预留的空间不够⽤了，会报错（Concurrent Mode Failure），这时会启动 Serial Old 垃圾收集器进⾏⽼年代的垃圾回收，会导致停顿的时间很⻓。
2. 内存碎⽚问题：CMS 本质上是实现了「标记清除算法」的收集器（从过程就可以看得出），这会意味着会产⽣内存碎⽚，由于碎⽚太多，⼜可能会导致内存空间不⾜所触发 full GC，CMS⼀般会在触发 full GC 这个过程对碎⽚进⾏整理。整理涉及到「移动」/「标记」，那这个过程肯定会 Stop The World 的，如果内存⾜够⼤（意味着可能装载的对象⾜够多），那这个过程卡顿也是需要⼀定的时间的。

使⽤CMS 的弊端好像就是⼀个死循环：

1. 内存碎⽚过多，导致空间利⽤率减低。
2. 空间本身就需要预留给⽤户线程使⽤，现在碎⽚内存⼜加剧了空间的问题，导致有可能垃圾收集器降级为 Serial Old，卡顿时间更⻓
3. 要处理内存碎⽚的问题（整理），同样会卡顿

总结

• CMS 垃圾回收器设计⽬的：为了避免「⽼年代 GC」出现「⻓时间」的卡顿（Stop The World）
• CMS 垃圾回收器回收过程：初始标记、并发标记、并发预处理、重新标记和并发清除。初始标记以及重新标记这两个阶段会 Stop The World
• CMS 垃圾回收器的弊端：会产⽣内存碎⽚&&需要空间预留：停顿时间是不可预知的