JVM实用参数7：CMS收集器

Posted 2021-04-17 jvm知识库

HotSpot JVM的并发标记清理收集器(CMS收集器)的主要目标就是：低应用停顿时间。该目标对于大多数交互式应用很重要，比如web应用。在我们看一下有关JVM的参数之前,让我们简要回顾CMS收集器的操作和使用它时可能出现的主要挑战。

就像吞吐量收集器(参见本系列的第6部分),CMS收集器处理老年代的对象,然而其操作要复杂得多。吞吐量收集器总是暂停应用程序线程，并且可能是相当长的一段时间，然而这能够使该算法安全地忽略应用程序。相比之下，CMS收集器被设计成在大多数时间能与应用程序线程并行执行，仅仅会有一点(短暂的)停顿时间。GC与应用程序并行的缺点就是，可能会出现各种同步和数据不一致的问题。为了实现安全且正确的并发执行，CMS收集器的GC周期被分为了好几个连续的阶段。

CMS收集器的过程

CMS收集器的GC周期由6个阶段组成。其中4个阶段(名字以Concurrent开始的)与实际的应用程序是并发执行的，而其他2个阶段需要暂停应用程序线程。

1. 初始标记：为了收集应用程序的对象引用需要暂停应用程序线程，该阶段完成后，应用程序线程再次启动。

2. 并发标记：从第一阶段收集到的对象引用开始，遍历所有其他的对象引用。

3. 并发预清理：改变当运行第二阶段时，由应用程序线程产生的对象引用，以更新第二阶段的结果。

4. 重标记：由于第三阶段是并发的，对象引用可能会发生进一步改变。因此，应用程序线程会再一次被暂停以更新这些变化，并且在进行实际的清理之前确保一个正确的对象引用视图。这一阶段十分重要，因为必须避免收集到仍被引用的对象。

5. 并发清理：所有不再被应用的对象将从堆里清除掉。

6. 并发重置：收集器做一些收尾的工作，以便下一次GC周期能有一个干净的状态。

一个常见的误解是,CMS收集器运行是完全与应用程序并发的。我们已经看到，事实并非如此，即使“stop-the-world”阶段相对于并发阶段的时间很短。

应该指出，尽管CMS收集器为老年代垃圾回收提供了几乎完全并发的解决方案，然而年轻代仍然通过“stop-the-world”方法来进行收集。对于交互式应用，停顿也是可接受的，背后的原理是年轻带的垃圾回收时间通常是相当短的。

挑战

当我们在真实的应用中使用CMS收集器时，我们会面临两个主要的挑战，可能需要进行调优：

1. 堆碎片

2. 对象分配率高

堆碎片是有可能的，不像吞吐量收集器，CMS收集器并没有任何碎片整理的机制。因此，应用程序有可能出现这样的情形，即使总的堆大小远没有耗尽，但却不能分配对象——仅仅是因为没有足够连续的空间完全容纳对象。当这种事发生后，并发算法不会帮上任何忙，因此，万不得已JVM会触发Full GC。回想一下，Full GC 将运行吞吐量收集器的算法，从而解决碎片问题——但却暂停了应用程序线程。因此尽管CMS收集器带来完全的并发性，但仍然有可能发生长时间的“stop-the-world”的风险。这是“设计”，而不能避免的——我们只能通过调优收集器来它的可能性。想要100%保证避免”stop-the-world”，对于交互式应用是有问题的。

第二个挑战就是应用的对象分配率高。如果获取对象实例的频率高于收集器清除堆里死对象的频率，并发算法将再次失败。从某种程度上说，老年代将没有足够的可用空间来容纳一个从年轻代提升过来的对象。这种情况被称为“并发模式失败”，并且JVM会执行堆碎片整理：触发Full GC。

当这些情形之一出现在实践中时(经常会出现在生产系统中)，经常被证实是老年代有大量不必要的对象。一个可行的办法就是增加年轻代的堆大小，以防止年轻代短生命的对象提前进入老年代。另一个办法就似乎利用分析器，快照运行系统的堆转储，并且分析过度的对象分配，找出这些对象，最终减少这些对象的申请。

下面我看看大多数与CMS收集器调优相关的JVM标志参数。

-XX：+UseConcMarkSweepGC

该标志首先是激活CMS收集器。默认HotSpot JVM使用的是并行收集器。

-XX：UseParNewGC

当使用CMS收集器时，该标志激活年轻代使用多线程并行执行垃圾回收。这令人很惊讶，我们不能简单在并行收集器中重用-XX：UserParNewGC标志，因为概念上年轻代用的算法是一样的。然而，对于CMS收集器，年轻代GC算法和老年代GC算法是不同的，因此年轻代GC有两种不同的实现，并且是两个不同的标志。

注意最新的JVM版本，当使用-XX：+UseConcMarkSweepGC时，-XX：UseParNewGC会自动开启。因此，如果年轻代的并行GC不想开启，可以通过设置-XX：-UseParNewGC来关掉。

-XX：+CMSConcurrentMTEnabled

当该标志被启用时，并发的CMS阶段将以多线程执行(因此，多个GC线程会与所有的应用程序线程并行工作)。该标志已经默认开启，如果顺序执行更好，这取决于所使用的硬件，多线程执行可以通过-XX：-CMSConcurremntMTEnabled禁用。

 -XX：ConcGCThreads

标志-XX：ConcGCThreads=<value>(早期JVM版本也叫-XX:ParallelCMSThreads)定义并发CMS过程运行时的线程数。比如value=4意味着CMS周期的所有阶段都以4个线程来执行。尽管更多的线程会加快并发CMS过程，但其也会带来额外的同步开销。因此，对于特定的应用程序，应该通过测试来判断增加CMS线程数是否真的能够带来性能的提升。

如果还标志未设置，JVM会根据并行收集器中的-XX：ParallelGCThreads参数的值来计算出默认的并行CMS线程数。该公式是ConcGCThreads = (ParallelGCThreads + 3)/4。因此，对于CMS收集器， -XX:ParallelGCThreads标志不仅影响“stop-the-world”垃圾收集阶段，还影响并发阶段。

总之，有不少方法可以配置CMS收集器的多线程执行。正是由于这个原因,建议第一次运行CMS收集器时使用其默认设置, 然后如果需要调优再进行测试。只有在生产系统中测量(或类生产测试系统)发现应用程序的暂停时间的目标没有达到 , 就可以通过这些标志应该进行GC调优。

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction

当堆满之后，并行收集器便开始进行垃圾收集，例如，当没有足够的空间来容纳新分配或提升的对象。对于CMS收集器，长时间等待是不可取的，因为在并发垃圾收集期间应用持续在运行(并且分配对象)。因此，为了在应用程序使用完内存之前完成垃圾收集周期，CMS收集器要比并行收集器更先启动。

因为不同的应用会有不同对象分配模式，JVM会收集实际的对象分配(和释放)的运行时数据，并且分析这些数据，来决定什么时候启动一次CMS垃圾收集周期。为了引导这一过程， JVM会在一开始执行CMS周期前作一些线索查找。该线索由 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<value>来设置，该值代表老年代堆空间的使用率。比如，value=75意味着第一次CMS垃圾收集会在老年代被占用75%时被触发。通常CMSInitiatingOccupancyFraction的默认值为68(之前很长时间的经历来决定的)。

-XX：+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

我们用-XX+UseCMSInitiatingOccupancyOnly标志来命令JVM不基于运行时收集的数据来启动CMS垃圾收集周期。而是，当该标志被开启时，JVM通过CMSInitiatingOccupancyFraction的值进行每一次CMS收集，而不仅仅是第一次。然而，请记住大多数情况下，JVM比我们自己能作出更好的垃圾收集决策。因此，只有当我们充足的理由(比如测试)并且对应用程序产生的对象的生命周期有深刻的认知时，才应该使用该标志。

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled

相对于并行收集器，CMS收集器默认不会对永久代进行垃圾回收。如果希望对永久代进行垃圾回收，可用设置标志-XX:+CMSClassUnloadingEnabled。在早期JVM版本中，要求设置额外的标志-XX:+CMSPermGenSweepingEnabled。注意，即使没有设置这个标志，一旦永久代耗尽空间也会尝试进行垃圾回收，但是收集不会是并行的，而再一次进行Full GC。

-XX:+CMSIncrementalMode

该标志将开启CMS收集器的增量模式。增量模式经常暂停CMS过程，以便对应用程序线程作出完全的让步。因此，收集器将花更长的时间完成整个收集周期。因此，只有通过测试后发现正常CMS周期对应用程序线程干扰太大时，才应该使用增量模式。由于现代服务器有足够的处理器来适应并发的垃圾收集，所以这种情况发生得很少。

-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent and -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses

如今,被广泛接受的最佳实践是避免显式地调用GC(所谓的“系统GC”)，即在应用程序中调用system.gc()。然而，这个建议是不管使用的GC算法的，值得一提的是，当使用CMS收集器时，系统GC将是一件很不幸的事，因为它默认会触发一次Full GC。幸运的是，有一种方式可以改变默认设置。标志-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent命令JVM无论什么时候调用系统GC，都执行CMS GC，而不是Full GC。第二个标志-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses保证当有系统GC调用时，永久代也被包括进CMS垃圾回收的范围内。因此，通过使用这些标志，我们可以防止出现意料之外的”stop-the-world”的系统GC。

-XX:+DisableExplicitGC

然而在这个问题上…这是一个很好提到- XX:+ DisableExplicitGC标志的机会，该标志将告诉JVM完全忽略系统的GC调用(不管使用的收集器是什么类型)。对于我而言，该标志属于默认的标志集合中，可以安全地定义在每个JVM上运行，而不需要进一步思考。