前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，線上用戶量的大量增加，性能問(wèn)題變得尤為重要，我們可以通過(guò)增大JVM的各項(xiàng)內(nèi)存來(lái)解決一部分問(wèn)題，但是這樣總是片面的

應(yīng)該雙管齊下，既要從硬件方面變得逐漸強(qiáng)大，底層軟件方向也不能落下發(fā)展，于是乎垃圾收集器的發(fā)展也變得很重要

熟悉JVM的小伙伴應(yīng)該都知道JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，大致分為堆、棧、本地方法棧、方法區(qū)和程序計(jì)數(shù)器，簡(jiǎn)單回憶下各個(gè)區(qū)域的作用吧

堆：用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象本身的以及數(shù)組（數(shù)組引用是存放在Java棧中的）。堆是被所有線程共享的，在JVM中只有一個(gè)堆

棧：存放的是一個(gè)個(gè)的棧幀，每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)一個(gè)被調(diào)用的方法，在棧幀中包括局部變量表、操作數(shù)棧、指向當(dāng)前方法所屬的類的運(yùn)行時(shí)常量池（運(yùn)行時(shí)常量池的概念在方法區(qū)部分會(huì)談到）的引用

方法返回地址(Return Address)**和一些額外的附加信息。當(dāng)線程執(zhí)行一個(gè)方法時(shí)，就會(huì)隨之創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的棧幀，并將建立的棧幀壓棧。當(dāng)方法執(zhí)行完畢之后，便會(huì)將棧幀出棧。

本地方法棧：本地方法棧與Java棧的作用和原理非常相似。區(qū)別只不過(guò)是Java棧是為執(zhí)行Java方法服務(wù)的，而本地方法棧則是為執(zhí)行本地方法（Native Method）服務(wù)的

方法區(qū)：與堆一樣，是被線程共享的區(qū)域。在方法區(qū)中，存儲(chǔ)了每個(gè)類的信息（包括類的名稱、方法信息、字段信息）、靜態(tài)變量、常量以及編譯器編譯后的代碼等。在Class文件中除了類的字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用來(lái)存儲(chǔ)編譯期間生成的字面量和符號(hào)引用。

在方法區(qū)中有一個(gè)非常重要的部分就是運(yùn)行時(shí)常量池，它是每一個(gè)類或接口的常量池的運(yùn)行時(shí)表示形式，在類和接口被加載到JVM后，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)常量池就被創(chuàng)建出來(lái)。當(dāng)然并非Class文件常量池中的內(nèi)容才能進(jìn)入運(yùn)行時(shí)常量池，在運(yùn)行期間也可將新的常量放入運(yùn)行時(shí)常量池中，比如String的intern方法。

程序計(jì)數(shù)器：每條線程都有一個(gè)獨(dú)立的的程序計(jì)數(shù)器，各線程間的計(jì)數(shù)器互不影響，因此該區(qū)域是線程私有的。該內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OOM（內(nèi)存溢出：OutOfMemoryError）情況的區(qū)域。

好了，我們大概知道了分為這幾大部分，堆和方法區(qū)都會(huì)涉及到垃圾回收，就會(huì)涉及到相應(yīng)的垃圾回收器，就會(huì)有好有壞，或者說(shuō)合適不合適，沒(méi)有最好的，只有最合適的

正文

垃圾回收器都會(huì)涉及到STW的過(guò)程，不知道STW的這里科普一下，stop the world，即STW過(guò)程會(huì)停止所有的用戶線程的執(zhí)行，對(duì)于用戶線程是卡頓的，如果卡頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，用戶會(huì)明顯的感受到反應(yīng)遲鈍

在使用APP的時(shí)候肯定會(huì)有一些卡頓的現(xiàn)象，這種可能有多方面原因，網(wǎng)速，手機(jī)配置，當(dāng)然這些肯定是主要的，也有可能是服務(wù)器正在進(jìn)行STW！

所以咯，對(duì)于開發(fā)人員肯定目標(biāo)就是盡可能的降低STW的時(shí)間，我們今天要說(shuō)的是CMS垃圾回收器，目標(biāo)也會(huì)如此，盡可能的降低應(yīng)用的停頓時(shí)間，這個(gè)目標(biāo)對(duì)于大多數(shù)的交互式應(yīng)用都是很重要的，比如web應(yīng)用；之前我們學(xué)過(guò)的并行收集器組合 Parallel Scavenge + Parallel Old，是以吞吐量為目標(biāo)的垃圾回收器，也是server模式下的默認(rèn)垃圾收集器的配置

我們一起來(lái)看下CMS收集器的工作過(guò)程吧，大致分為七個(gè)步驟：

初始標(biāo)記：為了收集應(yīng)用程序的對(duì)象引用，需要暫停應(yīng)用程序線程，會(huì)導(dǎo)致STW，該階段完成之后應(yīng)用程序再次啟動(dòng)

并發(fā)標(biāo)記：從第一階段到的對(duì)象引用開始，遍歷所有其它的對(duì)象引用

預(yù)清理：第二階段運(yùn)行的時(shí)候，由應(yīng)用程序線程產(chǎn)生的對(duì)象引用，以更新第二階段的結(jié)果

可被終止的預(yù)清理：和用戶線程同時(shí)執(zhí)行的，承擔(dān)下一階段的足夠多的工作

重新標(biāo)記：上一并發(fā)的，對(duì)象引用可能會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的改變，因此呢，應(yīng)用程序線程會(huì)再一次被暫停用以更新這些變化，并且在進(jìn)行實(shí)際的清理之前確保一個(gè)正確的對(duì)象引用視圖

并發(fā)清除：所有不再被應(yīng)用的對(duì)象將從堆里清除掉，和用戶線程并行

并發(fā)重置狀態(tài)等待下次CMS的觸發(fā)：收集器做一些收尾的工作，以便下一次GC周期能有一個(gè)干凈的狀態(tài)

CMS收集器其實(shí)不是完全和應(yīng)用程序并發(fā)的，我們已經(jīng)看到了，其中也會(huì)有STW的階段，只是相對(duì)來(lái)說(shuō)時(shí)間極其短

詳細(xì)流程

初始標(biāo)記：為了收集應(yīng)用程序的對(duì)象引用，需要暫停應(yīng)用程序線程，會(huì)導(dǎo)致STW，該階段完成之后應(yīng)用程序再次啟動(dòng)

這一步會(huì)發(fā)生STW，這一步的作用是標(biāo)記存活的對(duì)象，包含兩個(gè)部分：

1、老年代中的GC Roots對(duì)象，如圖中的1

2、年輕代中的活著的對(duì)象引用到的老年代對(duì)象

在Java語(yǔ)言里，可作為GC Roots對(duì)象的包括如下幾種：

1、虛擬機(jī)棧(棧楨中的本地變量表)中的引用的對(duì)象?

2、方法區(qū)中的類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象?

3、方法區(qū)中的常量引用的對(duì)象?

4、本地方法棧中JNI的引用的對(duì)象

并發(fā)標(biāo)記：從第一階段到的對(duì)象引用開始，遍歷所有其它的對(duì)象引用

從初始標(biāo)記階段標(biāo)記的對(duì)象中找出所有還存活的對(duì)象，因?yàn)槭呛陀脩艟€程并發(fā)運(yùn)行的，在運(yùn)行期間會(huì)有新生代的對(duì)象晉升到老年代，或者說(shuō)直接分配到老年代

對(duì)于這些對(duì)象都需要重新標(biāo)記，否則會(huì)有一些對(duì)象被遺漏的情況，為了提高重新標(biāo)記的效率，該階段會(huì)把上述對(duì)象所在的Card標(biāo)識(shí)為Dirty，后續(xù)則只需要掃描這些Dirty Card的對(duì)象就可以了，不需要掃描整個(gè)老年代了

并發(fā)標(biāo)記階段只是將引用發(fā)生改變的Card標(biāo)記為Dirty狀態(tài)，不負(fù)責(zé)清理

由于這個(gè)階段是和用戶線程并發(fā)的，可能會(huì)導(dǎo)致concurrent mode?failure

預(yù)清理：第二階段運(yùn)行的時(shí)候，由應(yīng)用程序線程產(chǎn)生的對(duì)象引用，以更新第二階段的結(jié)果

我們從上一階段其實(shí)沒(méi)有標(biāo)記出老年代的所有存活對(duì)象，是因?yàn)闃?biāo)記的同時(shí)應(yīng)用程序也會(huì)改變一些對(duì)象的引用，這個(gè)階段主要就是用來(lái)處理前一階段因?yàn)橐藐P(guān)系改變導(dǎo)致沒(méi)有標(biāo)記到的存活對(duì)象的

新生代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的引用，比如在并發(fā)階段，在Eden去分配了一個(gè)A對(duì)象，A對(duì)象引用了一個(gè)老年代對(duì)象B，在這個(gè)階段會(huì)標(biāo)記對(duì)象B為活躍對(duì)象

在并發(fā)標(biāo)記階段，如果老年代有對(duì)象內(nèi)部引用發(fā)生變化，而把所在的Card都標(biāo)記為Dirty，通過(guò)掃描這些，重新標(biāo)記那些在并發(fā)階段引用被更新的對(duì)象（晉升到老年代的對(duì)象、原來(lái)在老年代的對(duì)象）

可被終止的預(yù)清理：和用戶線程同時(shí)執(zhí)行的，承擔(dān)下一階段的足夠多的工作

該階段發(fā)生的前提是新生代的Eden的內(nèi)存使用量大于參數(shù)CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold，默認(rèn)是2M，如果新生代的對(duì)象太少，這個(gè)階段沒(méi)必要執(zhí)行，直接執(zhí)行下一階段重新標(biāo)記即可

存在的價(jià)值：盡最大的努力去處理那些在并發(fā)階段被應(yīng)用線程更新的老年代對(duì)象，這樣在暫停的重新標(biāo)記階段就可以少處理一些，暫停時(shí)間會(huì)相應(yīng)的降低些

這個(gè)階段屬于嘗試著去承擔(dān)下一個(gè)階段的部分工作，這個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間依賴比較多的因素，這個(gè)階段屬于重復(fù)做相同的事情直到相應(yīng)的條件滿足（次數(shù)、工作量、持續(xù)時(shí)間等

這個(gè)階段主要是循環(huán)做兩件事：

1、處理From和To區(qū)的對(duì)象，標(biāo)記可達(dá)的老年代對(duì)象

2、掃描處理Dirty Card中的對(duì)象

當(dāng)然也肯定不會(huì)一直循環(huán)下去，就像上面說(shuō)的，這里打斷循環(huán)的條件有三個(gè)：

最大循環(huán)次數(shù)的設(shè)置CMSMaxAbortablePrecleanLoops，默認(rèn)是0；執(zhí)行的時(shí)間達(dá)到閾值CMSMaxAbortablePrecleanTime，默認(rèn)是5秒；還有一個(gè)就是新生代Eden區(qū)的內(nèi)存使用率達(dá)到閾值CMSScheduleRemarkEdenPenetration，默認(rèn)是50%

重新標(biāo)記：上一并發(fā)的，對(duì)象引用可能會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的改變，因此呢，應(yīng)用程序線程會(huì)再一次被暫停用以更新這些變化，并且在進(jìn)行實(shí)際的清理之前確保一個(gè)正確的對(duì)象引用視圖

這一階段是會(huì)發(fā)生STW的，這個(gè)階段的目標(biāo)是完成標(biāo)記整個(gè)老年代的所有存活的對(duì)象，進(jìn)行最后的整理

這個(gè)階段重新標(biāo)記的內(nèi)存范圍是整個(gè)堆，年輕代和老年代都包含

為什么要掃描新生代呢？對(duì)于老年代中的對(duì)象，如果被新生代中的對(duì)象引用就會(huì)被視為存活的對(duì)象，即使新生代中的對(duì)象不可達(dá)了，也會(huì)使用這些不可達(dá)的對(duì)象當(dāng)做GC Roots來(lái)掃描老年代，因此這里要掃描新生代

由于之前的預(yù)處理階段是和用戶線程并發(fā)執(zhí)行的，這時(shí)候可能年輕代的對(duì)象和老年代的引用發(fā)生了很多改變，這時(shí)remark階段可能要花比較多的時(shí)間處理這些改變，會(huì)導(dǎo)致STW，所以通常CMS盡量運(yùn)行Final Remark這一階段的時(shí)候年輕代保持足夠的干凈

這也解釋了上一階段可被終止的預(yù)清理的重要性

并發(fā)清除：所有不再被應(yīng)用的對(duì)象將從堆里清除掉，和用戶線程并行

通過(guò)上面這五個(gè)階段的標(biāo)記，老年代所有存活的對(duì)象已經(jīng)被標(biāo)記，并且現(xiàn)在要通過(guò)Garbage Collector采用清掃的方式回收這些不可用的對(duì)象

這個(gè)階段則主要是清理那些未被標(biāo)記的對(duì)象，回收相應(yīng)的空間

由于這一并發(fā)清楚階段也是和用戶線程同時(shí)運(yùn)行，伴隨著用戶線程的運(yùn)行自然還會(huì)有一些新的垃圾的不斷的產(chǎn)生，這一部分垃圾出現(xiàn)在標(biāo)記過(guò)程之后，CMS自然就無(wú)法在這次回收過(guò)程處理掉這些垃圾，只能等待下一次的GC的時(shí)候才可以清理掉

這一部分被稱為浮動(dòng)垃圾

并發(fā)重置狀態(tài)等待下次CMS的觸發(fā)：收集器做一些收尾的工作，以便下一次GC周期能有一個(gè)干凈的狀態(tài)

注意細(xì)節(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，線上用戶量的大量增加，性能問(wèn)題變得尤為重要，我們可以通過(guò)增大JVM的各項(xiàng)內(nèi)存來(lái)解決一部分問(wèn)題，但是這樣總是片面的

減少remark階段停頓

一般CMS的GC耗時(shí)80%都在remark階段，如果發(fā)現(xiàn)remark階段停頓時(shí)間很長(zhǎng)，可以嘗試添加該參數(shù)：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark。

在執(zhí)行remark操作之前先做一次Young GC，目的在于減少年輕代對(duì)老年代的無(wú)效引用，降低remark時(shí)的開銷

內(nèi)存碎片問(wèn)題

CMS是基于標(biāo)記-清除算法的，CMS只會(huì)刪除無(wú)用對(duì)象，不會(huì)對(duì)內(nèi)存做壓縮，會(huì)造成內(nèi)存碎片，這時(shí)候我們需要這個(gè)參數(shù)：-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=n

意思是說(shuō)在上一次CMS并發(fā)GC執(zhí)行過(guò)后，到底還要再執(zhí)行多少次full GC才會(huì)做壓縮。默認(rèn)是0，也就是在默認(rèn)配置下每次CMS GC頂不住了而要轉(zhuǎn)入full GC的時(shí)候都會(huì)做壓縮。?如果把CMSFullGCsBeforeCompaction配置為10，就會(huì)讓上面說(shuō)的第一個(gè)條件變成每隔10次真正的full GC才做一次壓縮。

concurrent mode failure

這個(gè)異常發(fā)生在cms正在回收的時(shí)候。執(zhí)行CMS GC的過(guò)程中，同時(shí)業(yè)務(wù)線程也在運(yùn)行，當(dāng)年輕帶空間滿了，執(zhí)行ygc時(shí)，需要將存活的對(duì)象放入到老年代，而此時(shí)老年代空間不足，這時(shí)CMS還沒(méi)有機(jī)會(huì)回收老年帶產(chǎn)生的，或者在做Minor GC的時(shí)候，新生代救助空間放不下，需要放入老年代，而老年代也放不下而產(chǎn)生的。

設(shè)置cms觸發(fā)時(shí)機(jī)有兩個(gè)參數(shù)：-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly和-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 是指設(shè)定CMS在對(duì)內(nèi)存占用率達(dá)到70%的時(shí)候開始GC。

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly如果不指定, 只是用設(shè)定的回收閾值CMSInitiatingOccupancyFraction,則JVM僅在第一次使用設(shè)定值,后續(xù)則自動(dòng)調(diào)整會(huì)導(dǎo)致上面的那個(gè)參數(shù)不起作用。

為什么要有這兩個(gè)參數(shù)？

由于在垃圾收集階段用戶線程還需要運(yùn)行，那也就還需要預(yù)留有足夠的內(nèi)存空間給用戶線程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎完全被填滿了再進(jìn)行收集，需要預(yù)留一部分空間提供并發(fā)收集時(shí)的程序運(yùn)作使用。

CMS前五個(gè)階段都是標(biāo)記存活對(duì)象的，除了”初始標(biāo)記”和”重新標(biāo)記”階段會(huì)stop the word ，其它三個(gè)階段都是與用戶線程一起跑的，就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況gc線程正在標(biāo)記存活對(duì)象，用戶線程同時(shí)向老年代提升新的對(duì)象，清理工作還沒(méi)有開始，old gen已經(jīng)沒(méi)有空間容納更多對(duì)象了，這時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致concurrent mode failure， 然后就會(huì)使用串行收集器回收老年代的垃圾，導(dǎo)致停頓的時(shí)間非常長(zhǎng)。

CMSInitiatingOccupancyFraction參數(shù)要設(shè)置一個(gè)合理的值，設(shè)置大了，會(huì)增加concurrent mode failure發(fā)生的頻率，設(shè)置的小了，又會(huì)增加CMS頻率，所以要根據(jù)應(yīng)用的運(yùn)行情況來(lái)選取一個(gè)合理的值。如果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置大了會(huì)導(dǎo)致full gc，設(shè)置小了會(huì)導(dǎo)致頻繁的CMS GC，說(shuō)明你的老年代空間過(guò)小，應(yīng)該增加老年代空間的大小了。

promotion failed

在進(jìn)行Minor GC時(shí)，Survivor Space放不下，對(duì)象只能放入老年代，而此時(shí)老年代也放不下造成的，多數(shù)是由于老年帶有足夠的空閑空間，但是由于碎片較多，新生代要轉(zhuǎn)移到老年帶的對(duì)象比較大,找不到一段連續(xù)區(qū)域存放這個(gè)對(duì)象導(dǎo)致的。

總結(jié)

1、CMS收集器只能收集老年代，其以吞吐量為代價(jià)換取收集速度

2、一共分為七個(gè)步驟，其中初始標(biāo)價(jià)和重新標(biāo)技是STW的，CMS的大部分時(shí)間都花費(fèi)在重新標(biāo)記階段，CMS無(wú)法解決浮動(dòng)垃圾問(wèn)題

3、由于CMS的收集線程和用戶線程并發(fā)，可能在收集過(guò)程中出現(xiàn)concurrent mode failure，解決方法就是讓CMS盡早的進(jìn)行GC，在一定次數(shù)的Full GC之后讓CMS對(duì)內(nèi)存做一次壓縮，減少內(nèi)存碎片，防止年輕代對(duì)象晉升到老年代時(shí)因?yàn)閮?nèi)存碎片問(wèn)題導(dǎo)致晉升失敗

有道無(wú)術(shù)，術(shù)可成；有術(shù)無(wú)道，止于術(shù)

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好文章，我在看??

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的面试官最常问的垃圾回收器CMS的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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