引言
Concurrent Mark-Sweep（CMS）GC是Java虚拟机（JVM）中一种以减少停顿时间为目标的垃圾收集器，特别适用于需要低延迟的服务场景，如Web应用、实时系统等。本文将详细解析CMS GC的工作过程，包括其各个阶段的具体步骤和特点。
1. CMS GC概述
CMS GC是HotSpot虚拟机中首款真正意义上的并发收集器，它首次实现了垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。CMS GC主要针对老年代进行垃圾回收，可以与ParNew或Serial等新生代收集器配合使用。
2. CMS GC工作流程
CMS GC的工作流程可以细分为以下几个阶段：
2.1 初始标记（Initial Mark）
- 阶段描述：初始标记阶段会暂停所有应用线程（Stop-The-World, STW），从GC Roots开始，标记所有直接可达的对象。
- 特点：此阶段耗时非常短，因为只标记直接与GC Roots相连的对象。
- 日志示例：
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0004679 secs]
2.2 并发标记（Concurrent Mark）
- 阶段描述：在初始标记完成后，CMS GC开始并发地标记剩余的对象。从GC Roots开始，遍历整个对象图，标记所有可达的对象。
- 特点：此阶段与应用程序线程并发执行，不会暂停应用线程，因此用户几乎感觉不到停顿。
- 可能问题：由于应用程序线程仍在运行，可能会产生新的对象或对象引用关系发生变化，导致标记不准确。
2.3 并发预清理（Concurrent Preclean，可选）
- 阶段描述：并发预清理阶段是为了减少重新标记阶段的工作量。它查找并发标记阶段中新进入老年代的对象，包括晋升到老年代和直接在老年代分配的对象。
- 特点：此阶段也是并发的，与应用程序线程同时执行。
- 参数控制：通过
-XX:CMSPrecleaningEnabled参数可以启用或禁用此阶段。
2.4 重新标记（Remark）
- 阶段描述：重新标记阶段会暂停所有应用线程（STW），处理并发标记阶段因应用程序线程运行而产生标记变动的对象。
- 特点：此阶段会修正标记记录，确保所有存活对象都被正确标记。耗时比初始标记阶段稍长，但远短于并发标记阶段。
- 日志示例：
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 1046 K (3072 K)][Rescan (parallel) , 0.0001200 secs] ... [1 CMS-remark: 3714K(6848K)] 4760K(9920K), 0.0011706 secs]
2.5 并发清除（Concurrent Sweep）
- 阶段描述：在重新标记完成后，CMS GC开始并发地清除未被标记的对象，释放内存空间。
- 特点：此阶段与应用程序线程并发执行，不会暂停应用线程。
- 日志示例：
[CMS-concurrent-sweep-start] [CMS-concurrent-sweep: 0.001/0.001 secs]
2.6 并发重置（Concurrent Reset）
- 阶段描述：并发重置阶段重置CMS GC的内部数据结构，为下一次垃圾收集做准备。
- 特点：此阶段也是并发的，与应用程序线程同时执行。
- 日志示例：
[CMS-concurrent-reset-start] [CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs]
3. CMS GC的优缺点
优点：
- 并发收集：大部分垃圾收集工作与用户线程并发执行，大大减少了应用程序的停顿时间。
- 低停顿：通过并发标记和清除，CMS GC能够尽量缩短垃圾收集对应用程序的影响，适合对延迟敏感的应用场景。
缺点：
- 内存碎片：CMS GC使用标记-清除算法，会产生大量不连续的内存碎片，可能导致大对象无法分配，从而触发Full GC。
- 对CPU资源敏感：并发阶段会占用一部分CPU资源，导致应用程序的总吞吐量降低。
- 无法处理浮动垃圾：在并发标记和清除阶段，应用程序可能会产生新的垃圾对象，这些垃圾对象只能在下一次GC时回收，称为浮动垃圾。
- 并发模式失败：如果CMS GC无法在老年代满之前完成垃圾回收，会导致并发模式失败，此时会退化为使用Serial Old收集器进行垃圾回收，产生较长的停顿时间。
4. CMS GC的配置参数
CMS GC提供了多个配置参数，用于调整其行为和性能。以下是一些常用的配置参数：
-XX:+UseConcMarkSweepGC：启用CMS GC。-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=N：设置老年代内存使用达到该百分比时触发CMS GC。默认值为68%，可以根据应用需求进行调整。-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：在Full GC后进行内存碎片整理。默认值为开启，但会增加停顿时间。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=N：设置多少次不压缩的Full GC后进行一次内存整理。默认值为0，表示每次Full GC都进行整理。-XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在重新标记前强制进行一次Minor GC，以减少因新生代对象过多而导致的长时间重新标记阶段。
5. CMS GC的调优策略
为了优化CMS GC的性能，可以采取以下调优策略：
- 调整触发百分比：根据应用程序的内存使用情况和垃圾产生速度，调整
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数，以平衡垃圾收集的频率和停顿时间。 - 启用内存整理：在内存碎片问题严重时，可以启用
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection参数，在Full GC后进行内存碎片整理，但需要注意这会增加停顿时间。 - 控制Full GC次数：通过调整
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction参数，控制Full GC后进行内存整理的频率，以减少对应用程序性能的影响。 - 优化代码：通过优化应用程序的代码，减少对象的创建和销毁频率，从而降低垃圾收集的负担。
6. 结论
CMS GC是一种以减少停顿时间为目标的垃圾收集器，特别适用于需要低延迟的服务场景。通过详细解析其工作流程和各个阶段的特点，我们可以更好地理解CMS GC的工作原理。然而，它也存在内存碎片、对CPU资源敏感、无法处理浮动垃圾等缺点。在实际应用中，需要根据应用程序的特点和需求选择合适的垃圾收集器，并通过合理的配置和调优策略来优化其性能。
