JVM GC算法 CMS 详解(转)

前言

CMS，全称Concurrent Low Pause Collector，是jdk1.4后期版本开始引入的新gc算法，在jdk5和jdk6中得到了进一步改进，它的主要适合场景是对响应时间的重要性需求大于对吞吐量的要求，能够承受垃圾回收线程和应用线程共享处理器资源，并且应用中存在比较多的长生命周期的对象的应用。CMS是用于对tenured generation的回收，也就是年老代的回收，目标是尽量减少应用的暂停时间，减少full gc发生的几率，利用和应用程序线程并发的垃圾回收线程来标记清除年老代。在我们的应用中，因为有缓存的存在，并且对于响应时间也有比较高的要求，因此希望能尝试使用CMS来替代默认的server型JVM使用的并行收集器，以便获得更短的垃圾回收的暂停时间，提高程序的响应性。

CMS收集周期

CMS并非没有暂停，而是用两次短暂停来替代串行标记整理算法的长暂停，它的收集周期是这样：
初始标记(CMS-initial-mark) -> 并发标记(CMS-concurrent-mark) -> 重新标记(CMS-remark) -> 并发清除(CMS-concurrent-sweep) ->并发重设状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)。
其中的1，3两个步骤需要暂停所有的应用程序线程的。第一次暂停从root对象开始标记存活的对象，这个阶段称为初始标记；第二次暂停是在并发标记之后，暂停所有应用程序线程，重新标记并发标记阶段遗漏的对象（在并发标记阶段结束后对象状态的更新导致）。第一次暂停会比较短，第二次暂停通常会比较长，并且 remark这个阶段可以并行标记。

而并发标记、并发清除、并发重设阶段的所谓并发，是指一个或者多个垃圾回收线程和应用程序线程并发地运行，垃圾回收线程不会暂停应用程序的执行，如果你有多于一个处理器，那么并发收集线程将与应用线程在不同的处理器上运行，显然，这样的开销就是会降低应用的吞吐量。Remark阶段的并行，是指暂停了所有应用程序后，启动一定数目的垃圾回收进程进行并行标记，此时的应用线程是暂停的。

CMS的young generation的回收采用的仍然是并行复制收集器，这个跟Paralle gc算法是一致的。

参数介绍

1、启用CMS：-XX:+UseConcMarkSweepGC。
2。CMS默认启动的回收线程数目是 (ParallelGCThreads + 3)/4) ，如果你需要明确设定，可以通过-XX:ParallelCMSThreads=20来设定,其中ParallelGCThreads是年轻代的并行收集线程数
3、CMS是不会整理堆碎片的，因此为了防止堆碎片引起full gc，通过会开启CMS阶段进行合并碎片选项：-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，开启这个选项一定程度上会影响性能，阿宝的blog里说也许可以通过配置适当的CMSFullGCsBeforeCompaction来调整性能，未实践。
4.为了减少第二次暂停的时间，开启并行remark: -XX:+CMSParallelRemarkEnabled。如果remark还是过长的话，可以开启-XX:+CMSScavengeBeforeRemark选项，强制remark之前开始一次minor gc，减少remark的暂停时间，但是在remark之后也将立即开始又一次minor gc。

5.为了避免Perm区满引起的full gc，建议开启CMS回收Perm区选项：
+CMSPermGenSweepingEnabled -XX:+CMSClassUnloadingEnabled

6.默认CMS是在tenured generation沾满68%的时候开始进行CMS收集，如果你的年老代增长不是那么快，并且希望降低CMS次数的话，可以适当调高此值：
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80

这里修改成80%沾满的时候才开始CMS回收。

7.年轻代的并行收集线程数默认是(cpu <= 8) ? cpu : 3 + ((cpu * 5) / 8)，如果你希望降低这个线程数，可以通过-XX:ParallelGCThreads= N 来调整。

8.进入重点，在初步设置了一些参数后，例如：

-server -Xms1536m -Xmx1536m -XX:NewSize=256m -XX:MaxNewSize=256m -XX:PermSize=64m

-XX:MaxPermSize=64m -XX:-UseConcMarkSweepGC -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80 -XX:+CMSParallelRemarkEnabled

-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0

需要在生产环境或者压测环境中测量这些参数下系统的表现，这时候需要打开GC日志查看具体的信息，因此加上参数：

-verbose:gc -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:/home/test/logs/gc.log

在运行相当长一段时间内查看CMS的表现情况，CMS的日志输出类似这样：

4391.322: [GC [1 CMS-initial-mark: 655374K(1310720K)] 662197K(1546688K), 0.0303050 secs] [Times: user=0.02 sys=0.02, real=0.03 secs]

4391.352: [CMS-concurrent-mark-start]

4391.779: [CMS-concurrent-mark: 0.427/0.427 secs] [Times: user=1.24 sys=0.31, real=0.42 secs]

4391.779: [CMS-concurrent-preclean-start]

4391.821: [CMS-concurrent-preclean: 0.040/0.042 secs] [Times: user=0.13 sys=0.03, real=0.05 secs]

4391.821: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]

4392.511: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.349/0.690 secs] [Times: user=2.02 sys=0.51, real=0.69 secs]

4392.516: [GC[YG occupancy: 111001 K (235968 K)]4392.516: [Rescan (parallel) , 0.0309960 secs]4392.547: [weak refs processing, 0.0417710 secs] [1 CMS-remark: 655734K(1310720K)] 766736K(1546688K), 0.0932010 secs] [Times: user=0.17 sys=0.00, real=0.09 secs]

4392.609: [CMS-concurrent-sweep-start]

4394.310: [CMS-concurrent-sweep: 1.595/1.701 secs] [Times: user=4.78 sys=1.05, real=1.70 secs]

4394.310: [CMS-concurrent-reset-start]

4394.364: [CMS-concurrent-reset: 0.054/0.054 secs] [Times: user=0.14 sys=0.06, real=0.06 secs]

其中可以看到CMS-initial-mark阶段暂停了0.0303050秒，而CMS-remark阶段暂停了0.0932010秒，因此两次暂停的总共时间是0.123506秒，也就是123毫秒左右。两次短暂停的时间之和在200以下可以称为正常现象。

但是你很可能遇到两种fail引起full gc：Prommotion failed和Concurrent mode failed。

Prommotion failed的日志输出大概是这样：

[ParNew (promotion failed): 320138K->320138K(353920K), 0.2365970 secs]42576.951: [CMS: 1139969K->1120688K(

166784K), 9.2214860 secs] 1458785K->1120688K(2520704K), 9.4584090 secs]

这个问题的产生是由于救助空间不够，从而向年老代转移对象，年老代没有足够的空间来容纳这些对象，导致一次full gc的产生。解决这个问题的办法有两种完全相反的倾向：增大救助空间、增大年老代或者去掉救助空间。增大救助空间就是调整-XX:SurvivorRatio参数，这个参数是Eden区和Survivor区的大小比值，默认是32，也就是说Eden区是 Survivor区的32倍大小，要注意Survivo是有两个区的，因此Surivivor其实占整个young genertation的1/34。调小这个参数将增大survivor区，让对象尽量在survitor区呆长一点，减少进入年老代的对象。去掉救助空间的想法是让大部分不能马上回收的数据尽快进入年老代，加快年老代的回收频率，减少年老代暴涨的可能性，这个是通过将-XX:SurvivorRatio 设置成比较大的值（比如65536)来做到。在我们的应用中，将young generation设置成256M，这个值相对来说比较大了，而救助空间设置成默认大小(1/34)，从压测情况来看，没有出现prommotion failed的现象，年轻代比较大，从GC日志来看，minor gc的时间也在5-20毫秒内，还可以接受，因此暂不调整。

Concurrent mode failed的产生是由于CMS回收年老代的速度太慢，导致年老代在CMS完成前就被沾满，引起full gc，避免这个现象的产生就是调小-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数的值，让CMS更早更频繁的触发，降低年老代被沾满的可能。我们的应用暂时负载比较低，在生产环境上年老代的增长非常缓慢，因此暂时设置此参数为80。在压测环境下，这个参数的表现还可以，没有出现过Concurrent mode failed。