JVM：18 JVM老年代垃圾回收器CMS的内部工作机制

古城微笑少年丶 2022-08-28 15:52 228阅读 0赞

### 1. CMS垃圾回收的基本原理 ###

一般老年代选择的垃圾回收器是**CMS**，采用的是**标记清理算法**。采用标记方法去标记出哪些对象是垃圾对象，然后就把这些垃圾对象清理掉。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

上图，是一个老年代内存区域的对象分布情况，假设因为老年代内存空间小于了历次Minor GC后升入老年代对象的平均大小，判断Minor GC有风险，可能就会提前触发Full GC回收老年代的垃圾对象。

或者是一次Minor GC的对象太多了，都要升入老年代，发现空间不足，触发了一次老年代的Full GC。

也就是执行一次标记-清理算法。该算法，先通过追踪GC Roots 的方法，看看各个对象是否被GC Roots 给引用了，如果是的话，那就是存活对象，否则就是垃圾对象。

先将垃圾对象都标记出来，然后一次性把垃圾对象都回收掉，如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1][]

这种方法有问题，他会造成很多内存碎片。而这些内存碎片可能因为太小放不下任何对象，所以会导致这部分内存被浪费了。

这就是**CMS采取的 “标记-清理” 算法**。

### 2. 如果Stop the World然后垃圾回收会如何？ ###

如果停止一切工作线程，然后慢慢的去执行 “标记-清理” 算法，会导致系统卡死时间过长，很多响应无法处理。

所以**CMS垃圾回收器采取的是 垃圾回收线程和系统工作线程尽量同时执行的模式来处理的**。

### 3. CMS 如何实现系统一边工作的同时进行垃圾回收？ ###

CMS在执行一次垃圾回收的过程一共分为4个阶段：

1.  初始标记
2.  并发标记
3.  重新标记
4.  并发清理

首先，CMS要进行垃圾回收时，会先执行初始标记阶段，这个阶段会让系统的工作线程全部停止，进入 “Stop the World” 状态，如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2][]

**（1）初始标记**

所谓的 “初始标记” ，就是说标记出所有GC Roots直接引用的对象。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

如上述代码，在初始标记阶段，仅仅会通过“replicaManager” 这个类的静态变量代表的 GC Roots，去标记出来它直接引用的 ReplicaManager 对象，这就是初始标记的过程。

它不会去管ReplicaFetcher这种对象，因为ReplicaFetcher对象是被 ReplicaManager类的 “replicaFetcher” 实例变量引用的。

方法的局部变量和类的静态变量是 GC Roots。但是类的实例变量不是 GC Roots。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3][]

所以第一阶段，初始标记，虽然说要造成 “Stop the World” 暂停一切工作线程，但是其实影响不大，因为他的速度很快，仅仅标记GC Roots直接引用的那些对象罢了。

**（2）并发标记**

第二个阶段，是**并发标记**，这个阶段会让系统线程可以随意创建各种新对象，继续运行。

在运行期间可能会创建新的存活对象，也可能会让部分存活对象失去引用，变成垃圾对象。在这个过程中，垃圾回收线程，会尽可能的对已有的对象进行GC Roots追踪。

所谓进行GC Roots追踪，意思就是对类似 “ReplicaFetcher” 之类的全部老年代里的对象，他会去看他被谁引用了？

比如这里是被 “ReplicaManager” 对象的实例对象引用了，接着会看， “ReplicaManager” 对象被谁引用了？会发现被 “Kafka” 类的静态变量引用了。

那么此时可以认定 “ReplicaFetcher” 对象是被 GC Roots 间接引用的，所以此时就不需要回收它。如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4][]

在这个过程中，在进行并发标记的时候，系统程序会不停的工作，它可能会各种创建出来新的对象，部分对象可能成为垃圾，如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5][]

总结，第二阶段，就是对老年代所有对象进行GC Roots追踪，且是最耗时的。它需要追踪所有对象是否需从根源上被GC Roots 引用了，但是这个最耗时的阶段，是跟系统程序并发运行的，所以其实这个阶段不会对系统运行造成影响的。

**（3）重新标记阶段**

因为第二阶段里，一边标记存活对象和垃圾对象，一边系统在不停运行创建新对象，让老对象编程垃圾。

所以第二阶段结束之后，绝对会有很多存活对象和垃圾对象，是之前第二阶段没标记出来的，如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6][]

此时进入第三阶段，要继续让系统程序停下来，再次进入“Stop the World” 阶段。

然后重新标记下在第二阶段里新建的一些对象，还有一些已有对象可能失去引用变成垃圾的情况，如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7][]

这个重新标记的阶段，速度很快。它是对在第二阶段中被系统程序运行变动过的少数对象进行标记，所以运行速度很快。

**（4）并发清理**

接着重新恢复系统程序的运行，进入第四阶段：**并发清理**。

当前阶段是让系统程序随意运行，然后他来清理掉之前标记为垃圾的对象即可。

这个阶段是很耗时的，因为需要进行对象的清理，但是它也是跟系统程序并发运行的，所以不影响系统程序的执行。如下图：

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8][]

### 4. 对CMS的垃圾回收机制进行性能分析 ###

在CMS的垃圾回收机制中，它已经尽可能的进行了性能优化了。

在对老年代全部对象进行GC Roots追踪，标记出来到底哪些可以回收，然后就是对各种垃圾对象从内存里清理掉，这是最耗时的。

它的第二阶段和第四阶段，都是和系统程序并发执行的，所以基本这两个最耗时的阶段对性能影响不大。

只有第一个阶段和第三个阶段是需要 “Stop the World” 的，但是这两个阶段都是简单的标记而已，速度非常的快，所以基本上对系统运行响应也不大。

###  5. 思考题 ###

为什么老年代的垃圾回收速度会比新生代的垃圾回收速度慢很多倍？到底慢在哪里？

答：  （1）GC Roots搜索所有可达的对象，老年代存活对象更多回收更耗时；

（2）ParNewGC因为其独占性回收性能高于CMS GC；

（3）年轻代使用复制算法采用空间换时间的一种优化

###  6. 总结 ###

因为老年代的回收算法经历了4个过程更加复杂，分别要经历：

（1）初始标记GC Roots 直接引用的对象；

（2）并发标记，对存量全部对象从根源上判断是否存在GC Roots非常耗时；

（3）重新标记对第二阶段新产生少量对象重新标记追踪；

（4）并发清除，把标记的垃圾对象全部清除，然后还要对存活的对象进行压缩，避免内存碎片化

所以非常耗时。

年轻代的垃圾回收算法：

足够简单高效，通过可达性分析算法标记存活对象，然后把存活对象直接转移至其中的一个Survivor区，然后对另外一块Survivor区和Eden区直接清空即可。

这里做个比喻，我们的磁盘文件里面有非常多的文件，我现在只想保留少数我还需要的文件，最快的办法就是找出那些我还需要的，拷贝出来，然后对磁盘进行格式化。

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/4055714358c44203be2df90a431e63cc.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220828/a3f263dc426c45659ca9817bb9f85af2.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220828/8f9fc5b377d74bc3bd84677d253683d0.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/1c243cada6e74dbaafeffc215cd688c3.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]: /images/20220828/42f8f09e04954cb8af98f30eabd483ab.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]: /images/20220828/0640daaf250145c5bf55c91627e46ae9.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]: /images/20220828/691e6784e9cf4060ab0f1425782c135f.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]: /images/20220828/53e8357d5ef94109b0b19308408dbfa0.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]: /images/20220828/9cccf80af84a450bade334ed91180fd0.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a6A5Z-O5bCP5biF_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8]: /images/20220828/5dc49b67352942858dcab92d01101d9e.png