Java中常见的CMS GC问题分析与解决（一）

目前，互联网上 Java 的 GC 资料要么是主要讲解理论，要么就是针对单一场景的 GC 问题进行了剖析，对整个体系总结的资料少之又少。前车之鉴，后事之师，我们搜集了内部各种 GC 问题的分析文章，并结合个人的理解做了一些总结，希望能起到“抛砖引玉”的作用。

关于GC

GC技术是JAVA语言用来进行内存自动管理的，避免了手动管理带来的悬挂指针（Dangling Pointer）的问题，大大提升了开发的效率。在GC技术发展到现在，都是基于三种基础GC算法的组合或应用。
我们有时候在排查问题的时候，比较RT过高、GC耗时过长、CPU消耗过高，或多或少都会伴随着GC的产生，我们在日常工作中，需要去分析与判断，产生这些问题的根因是什么？如何才能避免这些问题的产生。
我们系统普遍使用的CMS GC的算法,我们希望通过我们对我们历史问题的分析，一起来提升GC问题的能力。

1. GC基础知识

现在我们公司JAVA 8版本，所有以下的讨论都是基于这个前提进行讨论的。

1.1. JVM内存

GC 主要工作在 Heap 区和 MetaSpace 区（上图蓝色部分），在 Direct Memory 中，如果使用的是 DirectByteBuffer，那么在分配内存不够时则是 GC 通过 Cleaner#clean 间接管理。

1.2. 内存分配模式

简单的将，就是我们new一个对象的时候，堆内存的分配方式有两种模式。

空闲链表（free list）：通过额外的存储记录空闲的地址，将随机 IO 变为顺序 IO，但带来了额外的空间消耗。(ps:CMS)
碰撞指针（bump pointer）：通过一个指针作为分界点，需要分配内存时，仅需把指针往空闲的一端移动与对象大小相等的距离。（ps:Serial、ParNew）

1.3. 垃圾收集

什么是垃圾？在程序运行过程中已经使用完毕，且之后不需要在被使用的对象我们称为垃圾。

1.3.1. 垃圾识别

Reference Count（引用计数）：对每个对象的引用进行计数，每当有一个地方引用它时计数器 +1、引用失效则 -1，引用的计数放到对象头中，当引用计数器为0的时候，认为对象已经失效，即为垃圾。之前有些文章会说，引用计数无法解决循环引用的问题，事实上已经使用Recycler算法解决了。现在现在，高并发的场景下，引用计数变更也要进行昂贵的同步操作，性能较低，现在的语言不使用。
Root Searching(根节点搜索法)：从Root开始进行对象搜索，可以被搜索到的对象为可达对象，多次标记才能确定一个对象是否存活还是死亡。多次查询之后，所有没有被查询到的对象，都标识为垃圾，可以被回收。这个是现在java虚拟器中采用的主流的垃圾识别方案

1.3.2. GC算法

我们已经知道如何去识别虚拟机产生的垃圾，我们就需要解决如何更快速的识别到并且进行清除。

标记-清除(Mark-Sweep):看名字就很好理解，主要分两个阶段，第一阶段，通过Root Searching的方式，找出所有可达有效对象，并且进行标记；第二阶段，将没有标记的对象进行清除，这个过程对象不发生移动，不进行内存的整理。
标记-整理(Mark-Compact):第一阶段与Mark-Sweep一样；第二阶段，将可达有效对象压缩进行整理，然后清除不可达对象。

复制（Copying）:将内存空间分为两块，同一时间只会使用其中一个，每次进行回收的时候，将可达对象复制移动到另一个半区，并且清空内存里面所有的对象，并且将两个内存分区角色进行切换。

GC算法	优点	缺点
标记-清除(Mark-Sweep)	性能比较好，不用移动空间	会有碎片，特别对象比较大的情况
标记-整理(Mark-Compact)	没有碎片，空间利用率高	性能比较低
复制（Copying）	性能最好	空间利用率低，有大量的空间浪费

1.4. 收集器

收集器主要分两个分代收集器与分区收集器

1.5. 常用的分析工具

1.5.1. 命令行

标准终端类：jps、jinfo、jstat、jstack、jmap
功能整合类：jcmd、vjtools、arthas、greys

1.5.2. 可视化

JConsole、JVisualvm、HA、GCHisto、GCViewer、MAT、JProfiler

我们系统会使用阿里开源的arthas，以及JProfiler。

总结

本章我们将GC的基础做了一个了解，这个只是一个皮毛还有很多东西可以深入的去了解，比如想去了解内存是如何移动的，各个算法是如何去实现的，有兴趣的都可以去了解下。本文转载《Java中常见的CMS GC问题分析与解决（一）》