1 名詞解釋
可達性分析算法：用於判斷對象是否存活，基本思想是通過一系列稱為“GC Root”的對象作為起點（常見的GC Root有系統類加載器、棧中的對象、處於激活狀態的線程等），基於對象引用關系，從GC Roots開始向下搜索，所走過的路徑稱為引用鏈，當一個對象到GC Root沒有任何引用鏈相連，證明對象不再存活
Stop The World：GC過程中分析對象引用關系，為了保證分析結果的准確性，需要通過停頓所有Java執行線程，保證引用關系不再動態變化，該停頓事件稱為Stop The World(STW)
Safepoint：代碼執行過程中的一些特殊位置，當線程執行到這些位置的時候，說明虛擬機當前的狀態是安全的，如果有需要GC，線程可以在這個位置暫停。HotSpot采用主動中斷的方式，讓執行線程在運行期輪詢是否需要暫停的標志，若需要則中斷掛起
2 CMS簡介
CMS(Concurrent Mark and Sweep 並發-標記-清除)，是一款基於並發、使用標記清除算法的垃圾回收算法，只針對老年代進行垃圾回收。CMS收集器工作時，盡可能讓GC線程和用戶線程並發執行，以達到降低STW時間的目的
通過以下命令行參數，啟用CMS垃圾收集器:
-XX:+UseConcMarkSweepGC
值得補充的是，下面介紹到的CMS GC是指老年代的GC，而Full GC指的是整個堆的GC事件，包括新生代、老年代、元空間等，兩者有所區分
3 新生代垃圾回收
能與CMS搭配使用的新生代垃圾收集器有Serial收集器和ParNew收集器。這2個收集器都采用標記復制算法，都會觸發STW事件，停止所有的應用線程。不同之處在於，Serial是單線程執行，ParNew是多線程執行
4 老年代垃圾回收
CMS GC以獲取最小停頓時間為目的，盡可能減少STW時間，可以分為7個階段
- 階段 1: 初始標記(Initial Mark)
此階段的目標是標記老年代中所有存活的對象, 包括 GC Root 的直接引用, 以及由新生代中存活對象所引用的對象，觸發第一次STW事件
這個過程是支持多線程的（JDK7之前單線程，JDK8之后並行，可通過參數CMSParallelInitialMarkEnabled調整）
- 階段 2: 並發標記(Concurrent Mark)
此階段GC線程和應用線程並發執行，遍歷階段1初始標記出來的存活對象，然后繼續遞歸標記這些對象可達的對象
- 階段 3: 並發預清理(Concurrent Preclean)
此階段GC線程和應用線程也是並發執行，因為階段2是與應用線程並發執行，可能有些引用關系已經發生改變。 通過卡片標記(Card Marking)，提前把老年代空間邏輯划分為相等大小的區域(Card)，如果引用關系發生改變，JVM會將發生改變的區域標記位“臟區”(Dirty Card)，然后在本階段，這些臟區會被找出來，刷新引用關系，清除“臟區”標記
- 階段 4: 並發可取消的預清理(Concurrent Abortable Preclean)
此階段也不停止應用線程. 本階段嘗試在 STW 的 最終標記階段(Final Remark)之前盡可能地多做一些工作，以減少應用暫停時間 在該階段不斷循環處理：標記老年代的可達對象、掃描處理Dirty Card區域中的對象，循環的終止條件有： 1 達到循環次數 2 達到循環執行時間閾值 3 新生代內存使用率達到閾值
- 階段 5: 最終標記(Final Remark)
這是GC事件中第二次(也是最后一次)STW階段，目標是完成老年代中所有存活對象的標記。在此階段執行： 1 遍歷新生代對象，重新標記 2 根據GC Roots，重新標記 3 遍歷老年代的Dirty Card，重新標記
- 階段 6: 並發清除(Concurrent Sweep)
此階段與應用程序並發執行，不需要STW停頓，根據標記結果清除垃圾對象
- 階段 7: 並發重置(Concurrent Reset)
此階段與應用程序並發執行，重置CMS算法相關的內部數據, 為下一次GC循環做准備
5 CMS常見問題
最終標記階段停頓時間過長問題
CMS的GC停頓時間約80%都在最終標記階段(Final Remark)，若該階段停頓時間過長，常見原因是新生代對老年代的無效引用，在上一階段的並發可取消預清理階段中，執行閾值時間內未完成循環，來不及觸發Young GC，清理這些無效引用
通過添加參數：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark。在執行最終操作之前先觸發Young GC，從而減少新生代對老年代的無效引用，降低最終標記階段的停頓，但如果在上個階段(並發可取消的預清理)已觸發Young GC，也會重復觸發Young GC
並發模式失敗(concurrent mode failure) & 晉升失敗(promotion failed)問題
並發模式失敗：當CMS在執行回收時，新生代發生垃圾回收，同時老年代又沒有足夠的空間容納晉升的對象時，CMS 垃圾回收就會退化成單線程的Full GC。所有的應用線程都會被暫停，老年代中所有的無效對象都被回收
晉升失敗：當新生代發生垃圾回收，老年代有足夠的空間可以容納晉升的對象，但是由於空閑空間的碎片化，導致晉升失敗，此時會觸發單線程且帶壓縮動作的Full GC
並發模式失敗和晉升失敗都會導致長時間的停頓，常見解決思路如下：
- 降低觸發CMS GC的閾值，即參數-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值，讓CMS GC盡早執行，以保證有足夠的空間
- 增加CMS線程數，即參數-XX:ConcGCThreads，
- 增大老年代空間
- 讓對象盡量在新生代回收，避免進入老年代
內存碎片問題
通常CMS的GC過程基於標記清除算法，不帶壓縮動作，導致越來越多的內存碎片需要壓縮，常見以下場景會觸發內存碎片壓縮：
- 新生代Young GC出現新生代晉升擔保失敗(promotion failed)
- 程序主動執行System.gc()
可通過參數CMSFullGCsBeforeCompaction的值，設置多少次Full GC觸發一次壓縮，默認值為0，代表每次進入Full GC都會觸發壓縮，帶壓縮動作的算法為上面提到的單線程Serial Old算法，暫停時間(STW)時間非常長，需要盡可能減少壓縮時間
參考文檔：https://juejin.im/post/5b6b986c6fb9a04fd1603f4a#heading-9
作者：分布式系統架構
鏈接：https://juejin.im/post/5b6b986c6fb9a04fd1603f4a
來源：掘金
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。