JVM中的垃圾收集器 -- CMS

 

一、概述

• 简介：

  • CMS收集器是一种以获取最短回收停顿为目标的收集器。
  • 由于GC线程在耗时最长的并发标记阶段、并发清除阶段、并发重设阶段都是与用户线程一起工作的，所以从总体上来说，CMS收集器的gc线程是与用户线程并发执行的。

• 触发时机：

  • 第一次启动的时机：

    • 老年代占用率达到CMSInitiatingOccupancyFraction值（默认为92%）时，jvm会启动第一次CMS GC。

  • 之后启动的时机：

    • jvm自动判断。

  • 参数：

    • -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly
      • 命令JVM不要根据运行时收集的数据来判断什么时候开始gc，而是根据CMSInitiatingOccupancyFraction的值来判断是否进行CMS收集，一般不会打开该开关。
    • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction
      • 设置触发第一次CMS GC的阈值，老年代占用率达到该值时，jvm会启动第一次CMS GC，默认为92%。

• 收集算法：

  • 使用标记-清除算法。

• GC类型：

  • major gc：只收集老年代。

• 收集范围

  • 整个老年代。

 

二、CMS GC过程：  

1、初始标记(CMS-initial-mark)：

• 标记对象：

  • 一个对象被标记，说明这个对象还存活着，不能被收集器回收。

• 哪些对象会被标记：

  • 老年代中所有被根对象(GC Roots)直接引用的对象会被标记。
  • 老年代中被年轻代中存活对象直接引用的对象会被标记。

• 标记方式：

  • 该阶段需要Stop the word，因为仅标记少量节点，所以该阶段带来的暂停时间很短。

• 图示：

  ​

2、并发标记(CMS-concurrent-mark)：

• 哪些对象会被标记：

  • 从初始标记阶段标记的对象出发，沿着引用链往下检索(RootsTracing)，标记出引用链上所有老年代中存活的对象。

• 标记方式：

  • gc线程和应用程序线程是并发执行的，故在并发标记期间可能存在对象的漏标和错标的问题。

• 对象漏标：

  • 场景1：在并发标记期间有新的对象进入到老年代（新生代的对象晋升到老年代、在老年代中直接分配对象等），这些新进入老年代的对象没有被标记。
  • 场景2：在并发标记期间用户线程修改了存活对象A的某个字段：将这个字段指向了一个未被标记过的对象B，那么此时对象B就由(并发标记开始时的)不可达变为可达了，但是对象B却没有被标记。

• 对象错标：

  • 某个存活对象（如下图的current obj）的某个字段引用着对象A，在并发标记期间用户线程将该字段修改为引用对象B，那么此时对象A就由(并发标记开始时的)可达变为不可达了，但是对象A却已经被标记过了。

    ​

• 对象漏标和错标的解决：

  • 在并发标记阶段，一些对象的引用可能已经发生了变化（导致对象漏标或错标），jvm会将这些引用发生变化的对象（包括新进入老年代的对象）所在的Card标记为Dirty Card。

    ​

 

3、并发预清理（CMS-concurrent-preclean）： 

• 哪些对象会被标记：

  • 从Dirty Card中包含的对象开始，沿着引用链往下检索(RootsTracing)，标记出引用链上所有老年代中存活的对象。

• 标记方式：

  • gc线程和应用程序线程并发执行。
  • 并发预清理的目的是为了减少重新标记阶段的工作，进而减少STW的时间。

• Dirty Card恢复成正常的Card：

  • 当Dirty Card中所有对象的引用链都检索完成后，这个Card的Dirty标识就被清除了。

    ​

 

4、可中断的并发预清理阶段（ CMS-concurrent-abortable-preclean）：

• 触发条件：

  • 在并发预清理阶段执行完成之后，如果eden区的占用量大于CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold(默认为2M) ，则会触发本阶段执行。

• 中断条件：

  • eden区的占用量大于CMSScheduleRemarkEdenPenetration(默认50%)，则中断本阶段。
  • 本阶段执行时间大于 CMSMaxAbortablePrecleanTime，则中断本阶段。

• 哪些对象会被标记：

  • 和并发预清理阶段标记的对象一样。

• 标记方式：

  • gc线程和应用程序线程并发执行，gc线程的标记工作可以被中断。
  • 在可中断的并发预清理阶段，jvm期望发生一次minor gc，这样年轻代中无用的对象就被回收掉了，进而可以减少remark阶段扫描对象的数量。
  • 并发预清理的目的同样也是为了减少重新标记阶段的工作，进而减少STW的时间。

• 参数：

  • -XX:+CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold    
    •  eden区占用量大于该值时(默认为2M)，触发可中断的并发预清理阶段启动。
  • -XX:CMSScheduleRemarkEdenPenetration
    • 表示eden区使用比例超过制定比例就结束该阶段进入remark阶段。
    • 默认50%，即：-XX:CMSScheduleRemarkEdenPenetration=50
  • -XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime
    • 如果可中断的预清理执行时间超过该值，那么无论minor gc有没有发生，该阶段都会立即结束，然后进入remark阶段，这样是为了避免因没有等到minor gc而陷入无限等待。
    • 默认5秒，即：-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5000

 

5、重新标记(CMS-remark)：

• 哪些对象会被标记：

  • 重新标记在并发标记期间遗漏的对象。  
  • 新生代对象可能持有老年代中对象的引用，故CMS-remark阶段扫描对象的范围是整个堆，故堆(新生代+老年代)中对象的数目影响了Remark阶段耗时。
    • 新生代：扫描新生代中所有的区域。
    • 老年代：根据gc roots沿着引用链扫描 。

• 标记方式：

  • 因为并发预清理是并发执行的，所以对象的引用可能会发生进一步的改变，故jvm在该阶段需要STW，以确保在清理之前保持一个正确的对象引用视图。
  • 一般重新标记阶段的暂停时间是比较长的。

• 参数：

  • -XX:+CMSScavengeBeforeRemark
    • 在remark前强制进行一次minor gc，这样在一定程度上降低了重新标记阶段对“遗漏”对象的扫描时间。
  • -XX:+CMSParallelRemarkEnabled
    • 可以并行remark，减少暂停的时间

6、并发清除(CMS-concurrent-sweep)：

• 哪些对象会被清除：

  • 未被标记的对象。

• 清除方式：

  • gc线程和应用程序线程并发执行。
  • 使用标记-清除法回收清除老年代的垃圾对象(未被标记的对象)

    ​

• 浮动垃圾：

  • 概念：在并发清除阶段产生的垃圾称为浮动垃圾。
  • 说明：浮动垃圾在本次gc中是无法清除的，只能等到下次清理。

7、并发重设(CMS-concurrent-reset)：

• 工作内容：

  • 对记录标记对象的表等数据结构做重置处理，为下一次GC做准备。

• 工作方式：

  • 并发重设线程和应用程序线程是并发执行的。

 

三、CMS GC失败后的预案：

• 如果CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，那么就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，此时JVM将启动后备预案：
• 使用Serial Old收集器重新对老年代进行gc，这样一来，停顿时间就会很长。

 

四、CMS GC的两种模式：

• background模式：

  • 触发条件：old的内存占比超过多少的时候就可能触发一次background式的cms gc
  • 其中background顾名思义是在后台做的，也就是可以不影响正常的业务线程跑，这个过程会经历CMS GC的所有阶段，该暂停的暂停，该并行的并行，效率相对来说还比较高，毕竟有和业务线程并行的gc阶段；

• foreground模式：

  • 触发条件：比如业务线程请求分配内存，但是内存不够了，于是可能触发一次cms gc
  • 这个过程就必须是要等内存分配到了线程才能继续往下面走的，因此整个过程必须是STW的，因此CMS GC整个过程都是暂停应用的，但是为了提高效率，它并不是每个阶段都会走的，只走其中一些阶段，这些省下来的阶段主要是并行阶段，Precleaning、AbortablePreclean，Resizing这几个阶段都不会经历，其中sweep阶段是同步的，但不管怎么说如果走了类似foreground的cms gc，那么整个过程业务线程都是不可用的，效率会影响挺大。
• 参考：JVM源码分析之SystemGC完全解读 - 你假笨

 

五、一次CMS GC耗时统计

 

六、CMS收集器的替代品

JVM中的垃圾收集器

 

 参考：

• 从实际案例聊聊Java应用的GC优化 - 美团技术团队