JVM系列(十一) 垃圾收集器之 Concurrent Mark Sweep 并发标记清除

垃圾收集器之 Concurrent Mark Sweep 并发标记清除

上几篇文章我们讲解了单线程垃圾收集器 Serial/SerialOld ,多线程垃圾收集器 Parallel Scavenge/Old, 本文我们讲解下 Concurrent Mark Sweep 简称CMS垃圾收集器

垃圾收集器

新生代收集器： Serial、ParNew、Parallel Scavenge；
老年代收集器： Serial Old、CMS、Parallel Old；
通用收集器： G1；

收集器常用组合：

Serial + Serial Old JVM设置-XX:+UseSerialGC
Parallel Scavenge + Parallel Old JVM设置-XX:+UseParallelGC -XX:-UseParallelOldGC
ParNew + CMS配合 JVM设置-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC
G1（不需要组合其他收集器） JVM设置-XX:+UseG1GC

今天我们要讲的就是 Concurrent Mark Sweep 收集器

1.CMS Concurrent Mark Sweep标记清除收集器

它是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
它非常符合在注重用户体验的应用上使用，是一款真正意义上的并发收集器
它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

1.1 CMS垃圾收集器工作流程

CMS执行垃圾清除算法可以分为以下7个步骤：

初始标记（STW）
并发标记
预处理
可中断的预处理
重新标记（STW）
并发清除
并发重置

下面我们详细讲解下CMS采用标记清除算法

运行过程分为五步骤：

1. 初始标记：会暂停其他线程STW，从gc root开始，只标记gc root能直接引用的对象，速度很快
1. 并发标记：这个阶段会从gc root往下遍历所有关联的对象，耗时很长，但是不需要用户线程停顿，可以和用户线程同时一起执行，用户感知不到，但是可能会导致已经标记过的对象状态发生改变
  - 比如你第一次标记了A，现在用户再次操作A的标记已经变了，所以A对象后面需要重新标记，这就引入了第三阶段
1. 预处理参数 CMSPrecleaningEnabled 选择关闭该阶段，默认启用
- 处理新生代已经发现的引用，比如在并发阶段，在Eden区中分配了一个A对象，A对象引用了一个老年代对象B（这个B之前没有被标记），在这个阶段就会标记对象B为活跃对象。
- 在并发标记阶段，如果老年代中有对象内部引用发生变化，会重新标记那些在并发标记阶段引用被更新的对象
4.可中断的预清理 CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold控制是否需要该阶段
- 新生代的对象太少，就没有必要执行该阶段，直接执行重新标记阶段
1. 重新标记：这个阶段是为了修正之前用户线程运行产生变动的标记记录，主要就是为了处理漏标的问题，这个阶段会暂停用户线程STW，暂时时间比初始标记阶段长，但是比并标记阶段时间短
  - 该阶段采用三色标记里的增量更新算法做重新标记
6.并发清理：开启用户线程，此阶段用户线程和垃圾回收线程同时执行，开始回收垃圾对象，gc开始清理未标记的区域，这个阶段如果有新增的对象，会被标记为黑色且不做任何处理
7.并发重置：重置gc过程的标记数据，为下一次gc做准备

1.2 CMS垃圾收集器的优缺点

优点
- 并发收集垃圾，停顿时间短，第一次真正意义上的并发
- 延迟较低，用户体验较好
缺点
- 竞争服务器资源，因为它收集线程和用户线程同时执行，互相抢占CPU资源，加剧CPU轮转切换
- 并发标记和并发清理阶段，依旧会有浮动垃圾，无法处理，甚至会导致FullGC
- 采用标记清除算法，会产生大量内存碎片，导致大对象无法分配不得不提前触发FullGC

2.CMS JVM参数配置

-XX:+UseConcMarkSweepGC
- 配置启用CMS
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
- FullGC之后做压缩整理（减少碎片），针对标记清除算法的优化
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction
- 多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一次
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction
- 设置老年代的阈值，当达到阈值时会触发Full GC，默认时92%

2.1 CMS测试

设置JVM参数,启用CMS垃圾收集器

-verbose:gc -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10M -Xmx10M  -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:SurvivorRatio=8

CMSTest测试类，测试

@Slf4j
public class CMSTest {//JVM 参数 -verbose:gc -Xms10M -Xmx10M  -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:SurvivorRatio=8public static void main(String[] args) throws Exception {byte[] b = null;for (int i = 1; i <= 10; i++) {//设置 1M的对象log.info("======== " + i + "次添加1M对象");b = new byte[1 * 1024 * 1024];Thread.sleep(100);}}
}

打印GC日志

[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2752K->320K(3072K), 0.0016638 secs] 2752K->916K(9920K), 0.0017058 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 3072K->320K(3072K), 0.0008008 secs] 3668K->1465K(9920K), 0.0008248 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
00:10:15.957 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 1次添加1M对象
00:10:16.074 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 2次添加1M对象
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2748K->320K(3072K), 0.0011250 secs] 3894K->2792K(9920K), 0.0011456 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
00:10:16.185 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 3次添加1M对象
00:10:16.297 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 4次添加1M对象
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2420K->22K(3072K), 0.0012212 secs] 4893K->3736K(9920K), 0.0012419 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0004679 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 1046 K (3072 K)][Rescan (parallel) , 0.0001200 secs][weak refs processing, 0.0000285 secs][class unloading, 0.0003868 secs][scrub symbol table, 0.0004698 secs][scrub string table, 0.0001029 secs][1 CMS-remark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0011706 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
00:10:16.406 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 5次添加1M对象
00:10:16.517 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 6次添加1M对象
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2123K->11K(3072K), 0.0005590 secs] 3491K->2403K(9920K), 0.0006038 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
00:10:16.629 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 7次添加1M对象
00:10:16.741 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 8次添加1M对象
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2112K->2K(3072K), 0.0004189 secs] 4504K->3418K(9920K), 0.0004425 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
00:10:16.853 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 9次添加1M对象
00:10:16.963 [main] INFO com.jzj.jvmtest.jvmready.CMSTest - ======== 10次添加1M对象
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2533K->139K(3072K), 0.0007700 secs] 5949K->4580K(9920K), 0.0007987 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heappar new generation   total 3072K, used 1191K [0x00000000ff600000, 0x00000000ff950000, 0x00000000ff950000)eden space 2752K,  38% used [0x00000000ff600000, 0x00000000ff706f98, 0x00000000ff8b0000)from space 320K,  43% used [0x00000000ff900000, 0x00000000ff922f78, 0x00000000ff950000)to   space 320K,   0% used [0x00000000ff8b0000, 0x00000000ff8b0000, 0x00000000ff900000)concurrent mark-sweep generation total 6848K, used 4440K [0x00000000ff950000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)Metaspace       used 5178K, capacity 5308K, committed 5504K, reserved 1056768Kclass space    used 574K, capacity 596K, committed 640K, reserved 1048576K

3.GC日志分析

par new generation total 3072K 年轻代大小
concurrent mark-sweep generation total 6848K 老年代大小
Eden space 2752K eden区
from space from区 320K
to space to区 320K
Metaspace 元空间 5308K

CMS GC日志分析 gc执行步骤

GC (Allocation Failure) ParNew 新生代采用的是ParNew 收集器来收集新生代垃圾CMS-concurrent-sweep-start
GC (CMS Initial Mark) 第一步初始标记会发生STW
CMS-concurrent-mark-start 第二步并发标记会出现浮动垃圾
CMS-concurrent-preclean-start 第三步预处理，没有第四步可中断预处理
GC (CMS Final Remark) 第五步重新标记会发生STW
CMS-concurrent-sweep-start 第六步并发清理
CMS-concurrent-reset-start 第七步并发重置

CMS GC日志内容分析

[GC (Allocation Failure) [ParNew: 2752K->320K(3072K), 0.0016638 secs] 2752K->916K(9920K), 0.0017058 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

ParNew: 2752K->320K(3072K), 0.0016638 secs 新生代 gc前占用2752K，gc回收后320K, 回收了垃圾 2752-320=2432 本次年轻代回收了2432K，年轻代总大小 3072K，gc回收垃圾耗时0.0016638 secs
2752K->916K(9920K), 0.0017058 secs ，Java堆 gc回收前占用2752K，g回收收获占用916K,Java堆总大小 9920K，本次堆回收了 2752-916=1836K
该次GC新生代减少了2752-320=2432， Java堆总共减少了2752-916=1836K，所以年轻代减少的2432 - 老年代减少的1836=596K 说明该次共有596K内存从年轻代移到了老年代

[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0004679 secs]

CMS 初始标记阶段STW，老年代使用量 3714K，老年代总量6848， java堆使用量4760K， java堆总量9920K

[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

CMS并发标记阶段，耗时 0.001 secs

[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

并发预处理阶段，会查找前一段执行过程中，冲新生代升级的对象或者被更新了的对象，预处理重新扫描标记，减少下一个阶段重新标记的工作量
并发可终止阶段，是为了控制时间，比如扫描多长时间或者eden区比例就终止本阶段

[GC (CMS Final Remark)
[YG occupancy: 1046 K (3072 K)]
[Rescan (parallel) , 0.0001200 secs]
[weak refs processing, 0.0000285 secs][class unloading, 0.0003868 secs]
[scrub symbol table, 0.0004698 secs][scrub string table, 0.0001029 secs]
[1 CMS-remark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0011706 secs]
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

重新标记阶段/最终标记阶段 STW, 从GC Root开始重新扫描整堆，标记存活的对象。需要注意的是，虽然CMS只回收老年代的垃圾对象，但是这个阶段依然需要扫描新生代，因为GC Root很多都在新生代
- CMS Final Remark 最终标记阶段
- YG occupancy: 1046 K (3072 K) 新生代大小为1046K，新生代总大小3072K
- Rescan (parallel) , 0.0001200 secs 暂停用户标记情况下，并发的标记对象的过程花费0.0001200 secs
- weak refs processing, 0.0000285 secs 标记弱引用对象
- class unloading, 0.0003868 secs 标记已经卸载的类对象
- scrub symbol table, 0.0004698 secs 标记常量池未被引用的对象
- scrub string table, 0.0001029 secs 标记常量池String类型未被引用的对象
- 1 CMS-remark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0011706 secs 重新标记后老年代使用3714K，老年代总量6848K， java堆使用量 4760K，java堆总量9920K

[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.001/0.001 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

并发清除阶段，清除标记的垃圾对象，花费0.001 secs

[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

并发重置阶段，重置数据和结构信息及花费的时间

至此我们讲解了CMS垃圾收集器的配置参数及如何使用CMS垃圾收集器，并且我们通过程序调试JVM参数，配置了CMS垃圾收集器，打印了GC日志，通过对GC日志的分析，能够很好的在实战中了解到底是哪里出了问题，便于JVM调优

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