CMS垃圾回收器 & 三色标记算法

Posted 2023-02-17 小胖java攻城狮

什么是CMS垃圾回收器？

CMS（Concurrent Mark Sweep）是一款里程碑式的垃圾收集器，为什么这么说呢？因为在它之前，GC线程和用户线程是无法同时工作的，即使是Parallel Scavenge，也不过是GC时开启多个线程并行回收而已，GC的整个过程依然要暂停用户线程，即Stop The World。这带来的后果就是Java程序运行一段时间就会卡顿一会，降低应用的响应速度，这对于运行在服务端的程序是不能被接收的。

1. 执行流程

1、初始标记
初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快。初始标记的过程是需要触发STW的，不过这个过程非常快，而且初试标记的耗时不会因为堆空间的变大而变慢，是可控的，因此可以忽略这个过程导致的短暂停顿。

2、并发标记
并发标记就是将初始标记的对象进行遍历，以这些对象为根，遍历整个对象图，这个过程耗时较长，而且标记的时间会随着堆空间的变大而变长。不过好在这个过程是不会触发STW的，用户线程仍然可以工作，程序依然可以响应，只是程序的性能会受到一点影响。因为GC线程会占用一定的CPU和系统资源，对处理器比较敏感。CMS默认开启的GC线程数是：(CPU核心数+3)/4，当CPU核心数超过4个时，GC线程会占用不到25%的CPU资源，如果CPU数不足4个，GC线程对程序的影响就会非常大，导致程序的性能大幅降低。

3、重新标记
由于并发标记时，用户线程仍在运行，这意味着并发标记期间，用户线程有可能改变了对象间的引用关系，可能会发生两种情况：一种是原本不能被回收的对象，现在可以被回收了，另一种是原本可以被回收的对象，现在不能被回收了。针对这两种情况，CMS需要暂停用户线程，进行一次重新标记。

4、并发清理
重新标记完成后，就可以并发清理了。这个过程耗时也比较长，且清理的开销会随着堆空间的变大而变大。不过好在这个过程也是不需要STW的，用户线程依然可以正常运行，程序不会卡顿，不过和并发标记一样，清理时GC线程依然要占用一定的CPU和系统资源，会导致程序的性能降低。

2. 什么对象可以称之为GC Roots?

1、方法区静态属性引用的对象
全局对象的一种，Class对象本身很难被回收，回收的条件非常苛刻，只要Class对象不被回收，静态成员就不能被回收。

2、方法区常量池引用的对象
也属于全局对象，例如字符串常量池，常量本身初始化后不会再改变，因此作为GC Roots也是合理的。

3、方法栈中栈帧本地变量表引用的对象
属于执行上下文中的对象，线程在执行方法时，会将方法打包成一个栈帧入栈执行，方法里用到的局部变量会存放到栈帧的本地变量表中。只要方法还在运行，还没出栈，就意味这本地变量表的对象还会被访问，GC就不应该回收，所以这一类对象也可作为GC Roots。

4、JNI本地方法栈中引用的对象
和上一条本质相同，无非是一个是Java方法栈中的变量引用，一个是native方法(C、C++)方法栈中的变量引用。

5、被同步锁持有的对象
被synchronized锁住的对象也是绝对不能回收的，当前有线程持有对象锁呢，GC如果回收了对象，锁不就失效了嘛。

3. CMS的缺点是什么？

1.CMS收集器对CPU资源非常敏感
在并发阶段，虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程使应用程序变慢，总吞吐量会降低，为了解决这种情况，虚拟机提供了一种“增量式并发收集器”的CMS收集器变种， 就是在并发标记和并发清除的时候让GC线程和用户线程交替运行，尽量减少GC 线程独占资源的时间，这样整个垃圾收集的过程会变长，但是对用户程序的影响会减少。（效果不明显，不推荐）

2.CMS处理器无法处理浮动垃圾
CMS在并发清理阶段线程还在运行， 伴随着程序的运行自然也会产生新的垃圾，这一部分垃圾产生在标记过程之后，CMS无法再当次过程中处理，所以只有等到下次gc时候在清理掉，这一部分垃圾就称作“浮动垃圾”

3、并发失败
由于浮动垃圾的存在，因此CMS必须预留一部分空间来装载这些新产生的垃圾。CMS不能像Serial Old收集器那样，等到Old区填满了再来清理。在JDK5时，CMS会在老年代使用了68%的空间时激活，预留了32%的空间来装载浮动垃圾，这是一个比较偏保守的配置。如果实际引用中，老年代增长的不是太快。
-XX：CMSInitiatingOccupancyFraction可以通过参数适当调高这个值。到了JDK6，触发的阈值就被提升至92%，只预留了8%的空间来装载浮动垃圾。
如果CMS预留的内存无法容纳浮动垃圾，那么就会导致「并发失败」，这时JVM不得不触发预备方案，启用Serial Old收集器来回收Old区，这时停顿时间就变得更长了。

4.CMS是基于“标记–清除”算法实现的
所以在收集结束的时候会有大量的空间碎片产生。空间碎片太多的时候，将会给大对象的分配带来很大的麻烦，往往会出现老年代还有很大的空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象的，只能提前触发 full gc。 为了解决这个问题，CMS提供了一个开关参数-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction，用于在CMS顶不住要进行full gc的时候开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片没有了，但是停顿的时间变长了

4. 三色标记算法

为什么CMS的GC线程可以和用户线程一起工作？是因为有三色标记算法的存在，那什么是三色标记算法呢？
标记流程如下：

1. 刚开始，所有的对象都是白色，没有被访问。
2. 将GC Roots直接关联的对象置为灰色。
3. 遍历灰色对象的所有引用，遍历后灰色对象本身置为黑色，引用置为灰色。
4. 重复步骤3，直到没有灰色对象为止。
5. 结束时，黑色对象存活，白色对象回收。

5. 为什么GC要STW(stop the world)？

首先，如果不暂停用户线程，就意味着期间会不断有垃圾产生，永远也清理不干净。
其次，用户线程的运行必然会导致对象的引用关系发生改变，这就会导致两种情况：漏标和错标。
这也是三色标记算法存在的问题

漏标是什么？

1. 某个状态下，黑色->灰色->白色
   

2. 如果一切顺利，不发生任何引用变化，GC线程顺着灰色的引用向下扫描,最后都变成黑色，都是存活对象

3. 但是如果出现了这样一个状况，在扫描到灰色的时候，还没有扫描到这个白色对象，此时，黑色对象引用了这个白色对象，而灰色对象指向了别的对象，或者干脆指向了null，也就是取消了对白色对象的引用

4. 那么我们会发现一个问题，根据三色标记规则，GC会认为,黑色对象是本身已经被扫描过，并且它所有指向的引用都已经被扫描过，所以不会再去扫描它有哪些引用指向了哪些对象，然后,灰色对象因为取消了对白色对象的引用，所以后面GC开始扫描所有灰色对象的引用时候，也不会再扫描到白色对象。

最后结果就是,白色对象直到本次标记扫描结束,也是白色,根据三色标记规则,认为它是垃圾,被清理掉

错标是什么？

假设GC线程已经遍历到B，此时用户线程执行了一下以下两个操作

//B到D的引用被切断
B.D=null;	
//A到D的引用被建立
A.xx=D;	

B到D的引用被切断，且A到D的引用被建立。
此时GC线程继续工作，由于B不再引用D了，尽管A又引用了D，但是因为A已经标记为黑色，GC不会再遍历A了，所以D会被标记为白色，最后被当做垃圾回收。
可以看到错标的结果比漏表严重的多，浮动垃圾可以下次GC清理，而把不该回收的对象回收掉，将会造成程序运行错误。

漏标和错标存在两个充要条件：

• 有至少一个黑色对象在自己被标记之后指向了这个白色对象

• 所有的灰色对象在自己引用扫描完成之前删除了对白色对象的引用

这两个条件，必须全满足,才会造成漏标问题。换言之，我们破坏任何一个条件，这个白色对象。就不会再被漏标。
如此一来这样就产生了两个解决办法

CMS采用的是增量更新

增量更新破坏的是第一个条件,我们在这个黑色对象增加了对白色对象的引用之后,将它的这个引用,记录下来,在最后标记的时候,再以这个黑色对象为根,对它的引用进行重新扫描。

可以简单理解为,当一个黑色对象增加了对白色对象的引用,那么这个黑色对象就被变灰。

这样有一个缺点,就是会重新扫描这个黑色对象的所有引用,比较浪费时间。

G1采用的是原始快照

原始快照破坏的是第二个条件,我们在这个灰色对象取消对白色对象的引用之前,将这个引用记录下来,在最后标记的时候,再以这个引用指向的白色对象为根,对它的引用进行扫描。

可以简单理解为,当一个灰色对象取消了对白色对象的引用,那么这个白色对象被变灰。

这样做的缺点就是,这个白色对象有可能并没有黑色对象去引用它,但是它还是被变灰了,就会导致它和它的引用,本来应该被垃圾回收掉,但是此次GC存活了下来,就是所谓的浮动垃圾.其实这样是比较可以忍受的,只是让它多存活了一次GC而已,浪费一点点空间,但是会比增量更新更省时间。

	public static void main(String[] args)
		System.out.println("点个赞再走吧");