Jvm之CMS垃圾收集器

  这篇文章主要介绍JVM的CMS垃圾收集器，以及JVM提供的垃圾收集算法。

一、垃圾收集算法

垃圾收集算法
  JVM提供的三种垃圾收集算法，都是基于"分代收集理论"而展开的。分代收集理论主要是根据对象存活周期的不同，将内存划分为两块，分别是年轻代和老年代，然后再根据各个年代的特点去选择合适的垃圾收集算法。
标记复制算法：
  标记复制算法将可用的内存划分为大小相同的两块，每次只使用其中的一块。当使用的这块内存存放满之后，就将存活的对象复制到另一块内存中，然后再把使用过的内存空间一次清理掉。但是这个算法最大的缺点就是将可用的内存缩小为原来的一半，另一半始终要空闲着用于存放存活的对象。
标记复制算法
标记清除算法：
  算法分为"标记"和"清除"两个阶段，在标记阶段，将存活的对象标记起来，然后回收所有没有标记的对象；也可以反过来，标记垃圾对象，然后回收所有已标记的垃圾对象。
标记清除算法存在两个明显的缺点：
  1、如果存活对象过多，那么标记的效率将十分低下
  2、在清除垃圾对象后，内存将出现大量的碎片空间
标记清除算法
标记整理算法：
  根据老年代的特点而出现的一种标记算法，在"标记"阶段仍然跟"标记清除算法"的标记阶段一样，但是后续并不是直接清理垃圾对象，而是将存活的对象向内存的一端移动，然后清理掉内存边界以外的空间。
标记整理算法

二、CMS垃圾收集器

  CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器，是一款以获取最短停顿时间为目标的垃圾收集器。这款垃圾收集器非常注重用户体验时间，是HopSpot虚拟机第一款真正意义上的并发垃圾收集器，实现了用户线程和垃圾回收线程同时执行。

2.1 CMS的工作流程

CMS垃圾收集器使用"标记清除"算法实现垃圾回收，它的工作流程相对而言比较复杂，主要有如下几个步骤：
1.初始标记：此阶段会暂停所有的用户线程（STW），记录gc roots能直接引用的对象，速度很快
2.并发标记：此阶段就是从gc roots直接引用对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长，但是可以和用户线程一起执行，但是对于已经标记对象的状态可能会发生改变
3.重新标记：此阶段主要就是为了修正在并发标记阶段，因用户线程运行，而导致已标记对象状态改变的那一部分对象的标记记录，主要就是处理漏标问题。这个阶段也是需要停止用户线程的，这个阶段会比并发标记阶段运行时间短。
4.并发清理：此阶段用户线程和垃圾回收线程同时执行，然后会回收垃圾对象
5.并发重置：重置本次GC过程标记的数据

CMS工作流程

2.2 CMS垃圾收集器的缺点

CMS垃圾收集器的主要优点为并发执行、低延迟。
同样，CMS的缺点也非常显而易见：
1.因为垃圾收集线程和用户线程会同时执行，因此会和用户线程争抢CPU资源
2.在并发标记和并发清理阶段，产生的浮动垃圾无法处理
3.CMS使用标记清除算法，会导致大量的内存碎片产生
4.执行过程的不确定性，可能会在本次GC还没执行完，又触发了一次GC，一边回收，一边程序还在运行，就会导致FullGC的发生，也就是"concurrent mode failure"，此时将进入stop the world，然后转为serial Old单线程老年代垃圾收集器回收。

2.3 CMS相关的核心参数

1.-XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms
2.-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少碎片），针对标记清除算法的优化
3.-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一次
4.-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 设置老年代的阈值，当达到阈值时会触发Full GC，默认时92%

三、垃圾收集器底层算法之三色标记

  首先来谈谈为什么JVM要引入三色标记，我们知道在并发标记过程，因为用户线程还在执行中，那么在这个阶段，对象之间的引用关系可能就会发生改变，而关系的改变，就表明有些对象将变成垃圾对象，而有些垃圾对象又会变成正常的对象。对于这样的问题，就是多标和漏标的问题，而为了解决多标和漏标，就需要引入三色标记算法。
三色标记的原理：将gc roots可达性分析遍历对象中遇到的对象，按照是否访问过，分为三种颜色。
1.黑色：表示这个对象已经被垃圾收集器访问过，并且这个对象的所有引用也已经全部被扫描过
2.灰色：表示这个对象已经被垃圾收集器访问过，但是这个对象至少还要一个引用没有被扫描过
3.白色：白色是默认的颜色，代表没有被垃圾收集器访问过，在分析结束后如果还是白色，代表不可达，也就是垃圾对象

三色标记
多标浮动垃圾：在并发标记过程中，因用户线程运行，导致部分gc roots被销毁，但是这个gc roots相连的对象又都被扫描过，那么本轮GC便不会回收这部分对象，而这部分本该回收的对象，却没有回收，就成为了浮动垃圾。

漏标：漏标问题就是严重的bug，会将正常的对象误认为是垃圾对象，这个bug是要被解决的，而解决的方案有两种：增量更新（Incremental Update） 和原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）。
1.增量更新：当黑色对象要新增指向白色对象的引用时，先将这个新增的引用记录起来，当扫描结束后，再将记录引用的黑色对象为根，重新扫描。也就是说，当黑色对象新增指向白色对象的引用时，黑色对象就变成了灰色对象。
2.原始快照：当灰色对象要删除指向白色对象的引用时，先将这个要删除的引用记录起来，当扫描结束后，再将记录引用的灰色对象为根，重新扫描，这样就能扫描到白色对象，然后将白色对象标为黑色。这里主要的目的还是防止误删除，现将白色变为黑色，也就成了浮动垃圾，等到下次gc时再去处理。

四、总结

  CMS是一款以获取最短停顿时间为目标的老年代垃圾收集器，主要优点就是并发执行、低延迟，执行流程为初始标记、并发标记、重新标记、并发清理、并发重置。