不可错过的CMS学习笔记

引子

带着问题去学习一个东西，才会有目标感，我先把一直以来自己对CMS的一些疑惑罗列了下，希望这篇学习笔记能解决掉这些疑惑，希望也能对你有所帮助。

一、基础知识

二、CMS的过程

CMS的正常过程

这里我们首先看下CMS并发收集周期正常完成的几个状态。

1.（STW）初始标记：这个阶段是标记从GcRoots直接可达的老年代对象、新生代引用的老年代对象，就是下图中灰色的点。这个过程是单线程的（JDK7之前单线程，JDK8之后并行，可以通过参数CMSParallelInitialMarkEnabled调整）。

2. 并发标记：由上一个阶段标记过的对象，开始tracing过程，标记所有可达的对象，这个阶段垃圾回收线程和应用线程同时运行，如上图中的灰色的点。在并发标记过程中，应用线程还在跑，因此会导致有些对象会从新生代晋升到老年代、有些老年代的对象引用会被改变、有些对象会直接分配到老年代，这些受到影响的老年代对象所在的card会被标记为dirty，用于重新标记阶段扫描。这个阶段过程中，老年代对象的card被标记为dirty的可能原因，就是下图中绿色的线：

3. 预清理：预清理，也是用于标记老年代存活的对象，目的是为了让重新标记阶段的STW尽可能短。这个阶段的目标是在并发标记阶段被应用线程影响到的老年代对象，包括：（1）老年代中card为dirty的对象；（2）幸存区(from和to)中引用的老年代对象。因此，这个阶段也需要扫描新生代+老年代。【PS：会不会扫描Eden区的对象，我看源代码猜测是没有，还需要继续求证】

4. 可中断的预清理：这个阶段的目标跟“预清理”阶段相同，也是为了减轻重新标记阶段的工作量。可中断预清理的价值：在进入重新标记阶段之前尽量等到一个Minor GC，尽量缩短重新标记阶段的停顿时间。另外可中断预清理会在Eden达到50%的时候开始，这时候离下一次minor gc还有半程的时间，这个还有另一个意义，即避免短时间内连着的两个停顿，如下图资料所示：在预清理步骤后，如果满足下面两个条件，就不会开启可中断的预清理，直接进入重新标记阶段：

• Eden的使用空间大于“CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold”，这个参数的默认值是2M；
• Eden的使用率大于等于“CMSScheduleRemarkEdenPenetration”，这个参数的默认值是50%。

如果不满足上面两个条件，则进入可中断的预清理，可中断预清理可能会执行多次，那么退出这个阶段的出口有两个（源码参见下图）： – 设置了CMSMaxAbortablePrecleanLoops，并且执行的次数超过了这个值，这个参数的默认值是0； – CMSMaxAbortablePrecleanTime，执行可中断预清理的时间超过了这个值，这个参数的默认值是5000毫秒。如果是因为这个原因退出，gc日志打印如下：

有可能可中断预清理过程中一直没等到Minor gc，这时候进入重新标记阶段的话，新生代还有很多活着的对象，就回导致STW变长，因此CMS还提供了CMSScavengeBeforeRemark参数，可以在进入重新标记之前强制进行依次Minor gc。

5. （STW）重新标记：重新扫描堆中的对象，进行可达性分析,标记活着的对象。这个阶段扫描的目标是：新生代的对象 + Gc Roots + 前面被标记为dirty的card对应的老年代对象。如果预清理的工作没做好，这一步扫描新生代的时候就会花很多时间，导致这个阶段的停顿时间过长。这个过程是多线程的。

6. 并发清除：用户线程被重新激活，同时将那些未被标记为存活的对象标记为不可达；

7. 并发重置：CMS内部重置回收器状态，准备进入下一个并发回收周期。

CMS的异常情况

上面描述的是CMS的并发周期正常完成的情况，但是还有几种CMS并发周期失败的情况： 1. 并发模式失败（Concurrent mode failure）：CMS的目标就是在回收老年代对象的时候不要停止全部应用线程，在并发周期执行期间，用户的线程依然在运行，如果这时候如果应用线程向老年代请求分配的空间超过预留的空间（担保失败），就回触发concurrent mode failure，然后CMS的并发周期就会被一次Full GC代替——停止全部应用进行垃圾收集，并进行空间压缩。如果我们设置了UseCMSInitiatingOccupancyOnly和CMSInitiatingOccupancyFraction参数，其中CMSInitiatingOccupancyFraction的值是70，那预留空间就是老年代的30%。 2. 晋升失败：新生代做minor gc的时候，需要CMS的担保机制确认老年代是否有足够的空间容纳要晋升的对象，担保机制发现不够，则报concurrent mode failure，如果担保机制判断是够的，但是实际上由于碎片问题导致无法分配，就会报晋升失败。 3. 永久代空间（或Java8的元空间）耗尽，默认情况下,CMS不会对永久代进行收集，一旦永久代空间耗尽，就回触发Full GC。

三、CMS的调优

四、CMS的trade-off是什么？

五、几个问题的解答

参考资料

读者讨论