由于上一課時篇幅比較多，我們在這一課時重點講解上一課時中提到的 CMS 垃圾回收器，讓你可以更好的理解垃圾回收的過程。 在這里首先給你介紹幾個概念： * Minor GC：發生在年輕代的 GC。 * Major GC：發生在老年代的 GC。 * Full GC：全堆垃圾回收。比如 Metaspace 區引起年輕代和老年代的回收。 理解了這三個概念，我們再往下看。 CMS 的全稱是 Mostly Concurrent Mark and Sweep Garbage Collector（主要并發-標記-清除-垃圾收集器），它在年輕代使用復制算法，而對老年代使用標記-清除算法。你可以看到，在老年代階段，比起 Mark-Sweep，它多了一個并發字樣。 CMS 的設計目標，是避免在老年代 GC 時出現長時間的卡頓（但它并不是一個老年代回收器）。如果你不希望有長時間的停頓，同時你的 CPU 資源也比較豐富，使用 CMS 是比較合適的。 CMS 使用的是 Sweep 而不是 Compact，所以它的主要問題是碎片化。隨著 JVM 的長時間運行，碎片化會越來越嚴重，只有通過 Full GC 才能完成整理。 為什么 CMS 能夠獲得更小的停頓時間呢？主要是因為它把最耗時的一些操作，做成了和應用線程并行。接下來我們簡要看一下這個過程。 #### CMS 回收過程 #### 初始標記（Initial Mark） 初始標記階段，只標記直接關聯 GC root 的對象，不用向下追溯。因為最耗時的就在 tracing 階段，這樣就極大地縮短了初始標記時間。 這個過程是 STW 的，但由于只是標記第一層，所以速度是很快的。  注意，這里除了要標記相關的 GC Roots 之外，還要標記年輕代中對象的引用，這也是 CMS 老年代回收，依然要掃描新生代的原因。 #### 并發標記（Concurrent Mark） 在初始標記的基礎上，進行并發標記。這一步驟主要是 tracinng 的過程，用于標記所有可達的對象。 這個過程會持續比較長的時間，但卻可以和用戶線程并行。在這個階段的執行過程中，可能會產生很多變化： * 有些對象，從新生代晉升到了老年代； * 有些對象，直接分配到了老年代； * 老年代或者新生代的對象引用發生了變化。  還記得我們在上一課時提到的卡片標記么？在這個階段受到影響的老年代對象所對應的卡頁，會被標記為 dirty，用于后續重新標記階段的掃描。 #### 并發預清理（Concurrent Preclean） 并發預清理也是不需要 STW 的，目的是為了讓重新標記階段的 STW 盡可能短。這個時候，老年代中被標記為 dirty 的卡頁中的對象，就會被重新標記，然后清除掉 dirty 的狀態。 由于這個階段也是可以并發的，在執行過程中引用關系依然會發生一些變化。我們可以假定這個清理動作是第一次清理。 所以重新標記階段，有可能還會有處于 dirty 狀態的卡頁。 #### 并發可取消的預清理（Concurrent Abortable Preclean） 因為重新標記是需要 STW 的，所以會有很多次預清理動作。并發可取消的預清理，顧名思義，在滿足某些條件的時候，可以終止，比如迭代次數、有用工作量、消耗的系統時間等。 這個階段是可選的。換句話說，這個階段是“并發預清理”階段的一種優化。 這個階段的第一個意圖，是避免回掃年輕代的大量對象；另外一個意圖，就是當滿足最終標記的條件時，自動退出。 我們在前面說過，標記動作是需要掃描年輕代的。如果年輕代的對象太多，肯定會嚴重影響標記的時間。如果在此之前能夠進行一次 Minor GC，情況會不會變得好了許多？ CMS 提供了參數 CMSScavengeBeforeRemark，可以在進入重新標記之前強制進行一次 Minor GC。 但請你記住一件事情，GC 的停頓是不分什么年輕代老年代的。設置了上面的參數，可能會在一個比較長的 Minor GC 之后，緊跟著一個 CMS 的 Remark，它們都是 STW 的。 這部分有非常多的配置參數。但是一般都不會去改動。 #### 最終標記（Final Remark） 通常 CMS 會嘗試在年輕代盡可能空的情況下運行 Final Remark 階段，以免接連多次發生 STW 事件。 這是 CMS 垃圾回收階段的第二次 STW 階段，目標是完成老年代中所有存活對象的標記。我們前面多輪的 preclean 階段，一直在和應用線程玩追趕游戲，有可能跟不上引用的變化速度。本輪的標記動作就需要 STW 來處理這些情況。 如果預處理階段做的不夠好，會顯著增加本階段的 STW 時間。你可以看到，CMS 垃圾回收器把回收過程分了多個部分，而影響最大的不是 STW 階段本身，而是它之前的預處理動作。 #### 并發清除（Concurrent Sweep） 此階段用戶線程被重新激活，目標是刪掉不可達的對象，并回收它們的空間。 由于 CMS 并發清理階段用戶線程還在運行中，伴隨程序運行自然就還會有新的垃圾不斷產生，這一部分垃圾出現在標記過程之后，CMS 無法在當次 GC 中處理掉它們，只好留待下一次 GC 時再清理掉。這一部分垃圾就稱為“浮動垃圾”。  #### 并發重置（Concurrent Reset） 此階段與應用程序并發執行，重置 CMS 算法相關的內部數據，為下一次 GC 循環做準備。 ### 內存碎片 由于 CMS 在執行過程中，用戶線程還需要運行，那就需要保證有充足的內存空間供用戶使用。如果等到老年代空間快滿了，再開啟這個回收過程，用戶線程可能會產生“Concurrent Mode Failure”的錯誤，這時會臨時啟用 Serial Old 收集器來重新進行老年代的垃圾收集，這樣停頓時間就很長了（STW）。 這部分空間預留，一般在 30% 左右即可，那么能用的大概只有 70%。參數 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 用來配置這個比例（記得要首先開啟參數UseCMSInitiatingOccupancyOnly）。也就是說，當老年代的使用率達到 70%，就會觸發 GC 了。如果你的系統老年代增長不是太快，可以調高這個參數，降低內存回收的次數。 其實，這個比率非常不好設置。一般在堆大小小于 2GB 的時候，都不會考慮 CMS 垃圾回收器。 另外，CMS 對老年代回收的時候，并沒有內存的整理階段。這就造成程序在長時間運行之后，碎片太多。如果你申請一個稍大的對象，就會引起分配失敗。 CMS 提供了兩個參數來解決這個問題： * （1） UseCMSCompactAtFullCollection（默認開啟），表示在要進行 Full GC 的時候，進行內存碎片整理。內存整理的過程是無法并發的，所以停頓時間會變長。 * （2）CMSFullGCsBeforeCompaction，每隔多少次不壓縮的 Full GC 后，執行一次帶壓縮的 Full GC。默認值為 0，表示每次進入 Full GC 時都進行碎片整理。 所以，預留空間加上內存的碎片，使用 CMS 垃圾回收器的老年代，留給我們的空間就不是太多，這也是 CMS 的一個弱點。  ### 小結 一般的，我們將 CMS 垃圾回收器分為四個階段： 1. 初始標記 2. 并發標記 3. 重新標記 4. 并發清理 我們總結一下 CMS 中都會有哪些停頓（STW）： 1. 初始標記，這部分的停頓時間較短； 2. Minor GC（可選），在預處理階段對年輕代的回收，停頓由年輕代決定； 3. 重新標記，由于 preclaen 階段的介入，這部分停頓也較短； 4. Serial-Old 收集老年代的停頓，主要發生在預留空間不足的情況下，時間會持續很長； 5. Full GC，永久代空間耗盡時的操作，由于會有整理階段，持續時間較長。 在發生 GC 問題時，你一定要明確發生在哪個階段，然后對癥下藥。gclog 通常能夠非常詳細的表現這個過程。 我們再來看一下 CMS 的 trade-off。 **優勢：** 低延遲，尤其對于大堆來說。大部分垃圾回收過程并發執行。 **劣勢：** 1. 內存碎片問題。Full GC 的整理階段，會造成較長時間的停頓。 2. 需要預留空間，用來分配收集階段產生的“浮動垃圾”。 3. 使用更多的 CPU 資源，在應用運行的同時進行堆掃描。 CMS 是一種高度可配置的復雜算法，因此給 JDK 中的 GC 代碼庫帶來了很多復雜性。由于 G1 和 ZGC 的產生，CMS 已經在被廢棄的路上。但是，目前仍然有大部分應用是運行在 Java8 及以下的版本之上，針對它的優化，還是要持續很長一段時間。 ### 課后問答 * 1、第06講（上）中 老年代垃圾收集器 的第三種是CMS，而該講（06下）卻說CMS【但它并不是一個老年代回收器】。那究竟是 or 不是？ 答案：初步印象是，但實際上不是。根據CMS的各個收集過程，它其實是一個涉及年輕代和老年代的綜合性垃圾回收器。不過它主要是作用在老年代的，所以一般交流說是，較真起來并不是。 * 2、在其他課程里邊，有個老師說major gc就是full gc，所以他講課直接就說的是full gc發生在老年代，但是本文中把major gc和full gc分開了，我又迷惑了，這兩個到底有沒有區別呀？ 答案：當然有區別。full gc > major gc。比如，full gc=major gc + metaspace的回收。 * 3、不同的垃圾收集器中的GC都是一樣的的嗎。比如CMS的FullGC 和 其他組合的垃圾收器的FullGC 是同一個概念嗎？ 答案：基于分代的垃圾回收器都有三個概念：MinorGC、MajorGC、FullGC，三個概念都是相同的。 * 4、CMS 回收過程初始標記（Initial Mark）這里是標記gc roots直接可達的老年代對象、新生代引用的老年代對象？ 答案：是的。