實例透徹分析CMS垃圾收集器執行過程

本文轉載自查看原文 2019-06-30 16:25 1298 JVM深入學習

CMS收集器收集步驟：

在上一次【https://www.cnblogs.com/webor2006/p/11055468.html】中已經對CMS的垃圾收集器有了一定的理論上的了解，其中提到了CMS收集器完整的七個步驟，這一次則對每一個步驟進行一個詳細了解，並會用程序來理解這七個步驟。

Phase1 ：Initial Mark【初始標記】
這個是CMS兩次stop-the-world事件的其中一次，這個階段的目標是：標記那些直接被GC root引用或被年輕代存活對象所引用的所有對象。用圖來表示：
上面有對象是直接被GC ROOTS所指用的，有些對象是被年輕代引用的，都會被標記出來。
Phase2 : Concurrent Mark 【並發標記】
在這個階段Garbage Collector會遍歷老年代，然后標記所有存活的對象，它會根據上個階段找到GC ROOTS遍歷查找。並發標記階段，它會與用戶的應用程序並發運行。並不是老年代所有的存活對象都會被標記，因為在標記期間用戶的程序可能會改變一些引用。如下圖：
在上面的圖中，與階段1的圖進行對比，就會發現有一個對象的引用已經發生了變化，如標黑的那個對象。

Phase3 : Concurrent Preclean【並發預先清除】
這也是一個並發階段，與應用的線程並發運行，並不會stop應用的線程。在並發運行的過程中，一些對象的引用可能會發生變化，但是這種情況發生時，JVM會將包含這個對象的區域（Card）標記為Dirty，這也就是Card Marking。
在pre-clean階段，那些能夠從Dirty對象到達的對象也會被標記，這個標記做完之后，dirty card標記就會被清除了。
下面看下示意圖：

上圖中標紅的則為Dirty，而能夠被它所直接到達的對象也會被標記，標記完了則dirty card標記被清除，如下：
Phase4 : Concurrent Abortable Preclean【並發可能失敗的預先清除】
這也是一個並發階段，但是同樣不會影響用戶的應用線程，這個階段是為了盡量承擔STW(stop-the-world)中最終標記階段的工作。這個階段持續時間依賴於很多的因素，由於這個階段是在重復做很多相同的工作，直接滿足一些條件（比如：重復迭代的次數、完成的工作量或者時鍾時間等）
Phase5 : Final Remark【最終重新標記】
這是第二個STW階段，也是CMS中的最后一個，這個階段的目標是標記老年代所有的存活對象，由於之前的階段是並發執行的，GC線程可能跟不上應用程序的變化，為了完成標記老年代所有存活對象的目標，STW就非常有必要了。
通常CMS的Final Remark階段會在年代代盡可能干凈的時候運行，目的是為了減少連續STW發生的可能性（年輕代存活對象過多的話，也會導致老年代涉及的存活對象會很多）。這個階段會比前面的幾個階段更復雜一些。
標記階段完成
經歷過以上五個階段之后，老年代所有存活的對象都被標記過了，現在可以通過清除算法去清理那些老年代不再使用的對象。可見其實CMS是將一個標記階段細分成五個子階段了。
Phase6 : Concurrent Sweep【並發清除】
這里不需要STW，它是與用戶的應用程序並發運行，這個階段是：清除那些不再使用的對象，回收它們的占用空間為將來使用，如圖：
Phase7 : Concurrent Reset【並發重置】
這個階段也是並發執行的，它會重設CMS內部的數據結構，為下次的GC做准備。

好，下面來對CMS進行一個總結：CMS通過將大量工作分散到並發處理階段來減少STW時間，在這塊做得非常優秀，但是CMS也有一些其它的問題，主要是如下問題：
1、CMS收集器無法處理浮動垃圾（Floating Garbage）,可能出現“Concurrent Mode Failure”失敗而導致另一次Full GC的產生，可能引發串行Full GC；

2、空間碎片，導致無法分配大對象，CMS收集器提供了一個-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection開發參數（默認就是開啟的），用於在CMS收集器頂不住要進行Full GC時開啟內存碎片的合並整理過程，內存整理的過程是無法並發的，空間碎片問題沒有了，但停頓時間不得不變長；

3、對於堆比較大的應用，GC的時間難以預估。

實踐來感受CMS的七大步驟：

關於CMS的七大步驟我們已經理論話的對它進行了學習，但是！！！還是有些抽象，所以接下來會用程序來加深對步驟的理解，可以完完整整通過實驗來看到所有的步驟，先新建一個測試類：

目前程序是平淡無奇的，接下來給JVM增加一些啟動參數，如下：

好，整個實驗需要的JVM參數都已經設定好了，接下來運行看一下輸出：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/bin/java -verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseConcMarkSweepGC -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/deploy.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/cldrdata.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/dnsns.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jaccess.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jfxrt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/localedata.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/nashorn.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunec.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunjce_provider.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunpkcs11.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/zipfs.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/javaws.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfxswt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/management-agent.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/plugin.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/ant-javafx.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/dt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/javafx-mx.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/jconsole.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/packager.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/sa-jdi.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/tools.jar:/Users/xiongwei/Documents/workspace/IntelliJSpace/jvm_lectue/out/production/classes:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/mysql/mysql-connector-java/5.1.34/46deba4adbdb4967367b013cbc67b7f7373da60a/mysql-connector-java-5.1.34.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/cglib/cglib/3.2.0/bced5c83ed985c080a24dc5a42b0ca631556f413/cglib-3.2.0.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/org.ow2.asm/asm/5.0.3/dcc2193db20e19e1feca8b1240dbbc4e190824fa/asm-5.0.3.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/org.apache.ant/ant/1.9.4/6d473e8653d952045f550f4ef225a9591b79094a/ant-1.9.4.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/org.apache.ant/ant-launcher/1.9.4/334b62cb4be0432769679e8b94e83f8fd5ed395c/ant-launcher-1.9.4.jar com.jvm.gc.MyTest5
111111
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 5119K->354K(9216K), 0.0038338 secs] 5119K->4452K(19456K), 0.0038874 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
222222
333333
[GC (Allocation Failure) [ParNew (promotion failed): 6657K->6814K(9216K), 0.0038483 secs][CMS: 8196K->8192K(10240K), 0.0041740 secs] 10755K->10573K(19456K), [Metaspace: 2650K->2650K(1056768K)], 0.0080758 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 8192K(10240K)] 14669K(19456K), 0.0005176 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-preclean-start]
444444
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
[CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 6800 K (9216 K)][Rescan (parallel) , 0.0020690 secs][weak refs processing, 0.0000105 secs][class unloading, 0.0002582 secs][scrub symbol table, 0.0005401 secs][scrub string table, 0.0001471 secs][1 CMS-remark: 8192K(10240K)] 14992K(19456K), 0.0031107 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.000/0.000 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] 
Heap
 par new generation   total 9216K, used 6964K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
  eden space 8192K,  85% used [0x00000007bec00000, 0x00000007bf2cd1e0, 0x00000007bf400000)
  from space 1024K,   0% used [0x00000007bf400000, 0x00000007bf400000, 0x00000007bf500000)
  to   space 1024K,   0% used [0x00000007bf500000, 0x00000007bf500000, 0x00000007bf600000)
 concurrent mark-sweep generation total 10240K, used 8192K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
 Metaspace       used 2657K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 287K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

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