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31. 什么是CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器？它的优缺点是什么？

PangHu大约 4 分钟

CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器 是Java虚拟机（JVM）中的一种垃圾收集器，专门设计用于减少垃圾回收（GC）引起的应用程序停顿时间（Stop-the-World, STW）。CMS在JDK 1.4中引入，主要针对响应时间要求较高的应用程序，如Web服务器、金融系统等，对低延迟有较高要求的场景。

CMS垃圾回收器的工作原理

CMS垃圾回收器的工作过程分为以下几个主要阶段：

  1. 初始标记（Initial Mark）：
    • 作用：标记GC Roots直接可达的对象。
    • 停顿时间：这一步需要暂停所有应用线程（STW），但标记只涉及少量对象，因此时间通常较短。
  2. 并发标记（Concurrent Mark）：
    • 作用：在应用程序运行的同时，CMS线程并发地从GC Roots开始，遍历整个对象图，标记所有可达的对象。
    • 停顿时间：无需暂停应用线程，因此对应用程序性能影响较小。
  3. 重新标记（Remark）：
    • 作用：在并发标记过程中，应用程序仍然在运行，因此可能有对象的引用关系发生变化。重新标记阶段会再次暂停所有应用线程，修正标记过程中的遗漏。
    • 停顿时间：这一步也是STW事件，但通过优化，该阶段的时间通常也较短。
  4. 并发清除（Concurrent Sweep）：
    • 作用：在应用程序继续运行的同时，CMS线程并发地清除标记阶段中未被标记的对象，回收其占用的内存空间。
    • 停顿时间：无须暂停应用线程，对应用程序几乎没有影响。

CMS垃圾回收器的优点

  1. 低停顿时间：
    • CMS的最大优势是能够显著减少应用程序的停顿时间。除了初始标记和重新标记两个短暂的STW阶段，其余工作都在应用线程并发运行，适合对响应时间要求高的应用。
  2. 并发执行：
    • CMS大部分的垃圾回收工作是并发执行的，与应用线程同时进行，因此减少了对应用程序的性能影响。
  3. 适合大堆内存：
    • 对于具有大堆内存的应用程序，CMS能够有效减少长时间的Full GC停顿，使得大内存应用更加流畅和高效。

CMS垃圾回收器的缺点

  1. 内存碎片：
    • CMS使用标记-清除算法回收内存，虽然能够快速回收，但容易产生内存碎片。随着时间推移，内存碎片会导致大对象分配困难，进而触发Full GC，影响应用性能。
  2. Full GC开销大：
    • 当内存碎片严重、老年代空间不足时，CMS可能无法完成并发清理任务，触发Full GC。Full GC会带来较长时间的应用停顿，严重影响系统的响应性。
  3. 内存占用较高：
    • CMS在并发回收期间需要保留一部分内存供应用程序使用，同时也为垃圾回收线程保留了一部分内存空间，因此在高负载情况下，CMS的内存占用较高。
  4. 并发模式失败（Concurrent Mode Failure）：
    • 当CMS在并发清理阶段，老年代空间不足以容纳新对象时，会导致并发模式失败，系统将退回到单线程的Serial Old收集器进行Full GC，这会带来较长时间的停顿。
  5. 额外的CPU开销：
    • CMS的并发回收过程占用CPU资源，特别是在多核环境下，CMS垃圾收集线程会与应用线程竞争CPU资源，可能导致系统整体性能下降。

配置CMS垃圾回收器

在JVM中启用CMS垃圾回收器，可以使用以下参数：

-XX:+UseConcMarkSweepGC

其他常用的调优参数包括：

  • 线程数量：设置并发GC线程数（通常为CPU核心数的一半）。

    -XX:ConcGCThreads=<num_of_threads>

  • 并发模式失败阈值：设置CMS在并发回收过程中，老年代使用比例达到一定阈值时触发并发模式失败，退回Full GC。

    -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<percentage>

  • 内存碎片整理：启用内存碎片整理以减少碎片化。

    -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

总结

CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器 是一种专注于减少应用程序停顿时间的GC算法，适用于低延迟、高响应要求的应用程序，如在线服务、Web服务器等。尽管CMS能够显著降低GC引起的停顿，但其内存碎片问题、Full GC的高开销以及额外的CPU资源占用使得它在某些场景下不如其他现代GC（如G1、ZGC）适用。因此，在使用CMS时，需要结合具体应用场景进行调优，以充分发挥其优势并减小其不足的影响。