CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器

提纲：CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器

1. 引言

• 简介
• 垃圾回收器的基本概念
• 垃圾回收的重要性
• Java垃圾回收器的演变

2. CMS垃圾回收器概述

• 定义和背景
• CMS的设计目标
• 优点和缺点
• 使用场景

3. CMS的工作机制

• 标记-清除算法简介
• CMS的四个阶段
  • 初始标记 (Initial Mark)
  • 并发标记 (Concurrent Mark)
  • 重新标记 (Remark)
  • 并发清除 (Concurrent Sweep)

4. CMS的实现细节

• 初始标记阶段的实现
• 并发标记阶段的实现
• 重新标记阶段的优化
• 并发清除阶段的策略
• 写屏障的使用

5. CMS的性能调优

• 常见参数
• 内存碎片问题及解决方案
• GC暂停时间和应用性能的平衡
• 如何监控和调试CMS

6. CMS与其他垃圾回收器的比较

• Serial GC
• Parallel GC
• G1 GC
• ZGC和Shenandoah

7. CMS的未来

• 现代应用场景下的挑战
• CMS的替代方案
• Java 9及之后对CMS的支持

8. 结论

• 总结
• CMS的适用场景和未来方向
• 对开发者的建议

文章正文

1. 引言

在现代Java应用中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是性能优化的关键之一。它自动管理内存，避免内存泄漏和手动管理的复杂性。CMS（Concurrent Mark-Sweep）是一种低延迟的垃圾回收器，设计用于减少应用程序停顿时间。

2. CMS垃圾回收器概述

CMS是Java虚拟机（JVM）中的一种垃圾回收算法，旨在最大程度减少GC暂停时间。与其他GC相比，它在处理延迟敏感的应用中表现尤为出色。它的主要优点是能够并发地进行大部分垃圾回收工作，然而缺点也同样明显：它可能产生内存碎片，并且在处理长时间运行的应用程序时，其性能可能会退化。

3. CMS的工作机制

CMS采用的是“标记-清除”算法。其主要工作分为四个阶段：

初始标记阶段：该阶段暂停所有应用线程（STW），标记从根集合（GC roots）直接可达的对象。这一阶段通常非常短暂。

并发标记阶段：应用线程继续运行，GC线程并发地标记所有可达的对象。由于是并发的，这一阶段不需要暂停应用线程。

重新标记阶段：再一次暂停应用线程，以标记可能在并发标记阶段遗漏的对象。这个阶段的时间通常比初始标记阶段长。

并发清除阶段：清除所有不可达的对象。这一阶段也是并发进行的，不影响应用线程的执行。

4. CMS的实现细节

CMS垃圾回收器实现的复杂性在于它的并发特性。初始标记和重新标记阶段需要暂停所有应用线程，这在GC术语中称为"Stop-The-World"（STW）。这两个阶段的设计目标是尽可能短暂，以减少对应用程序的影响。而并发标记和并发清除阶段则在应用线程继续运行的情况下进行，这需要复杂的同步机制来确保标记和清除的准确性。

写屏障（Write Barrier）是CMS实现中的关键机制之一。它用来捕捉应用线程对对象引用的修改，以保证GC线程能正确地标记对象。写屏障的开销通常较小，但在高并发环境下也可能导致性能瓶颈。

5. CMS的性能调优

调优CMS涉及多个方面，如调整堆大小和分代大小，以及设置GC线程数等。参数如-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction和-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly影响垃圾回收的触发时机。内存碎片是CMS的一个显著问题，常见的解决方法是配置-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection进行碎片整理。

6. CMS与其他垃圾回收器的比较

CMS主要与Parallel GC、G1 GC等进行对比。虽然CMS在低延迟场景中表现优异，但在高吞吐量场景下，Parallel GC和G1 GC可能更为适合。此外，ZGC和Shenandoah等新型GC提供了更先进的特性，如更低的停顿时间和更好的内存管理。

7. CMS的未来

随着Java 9及以后的版本中CMS的弃用，开发者需要寻找替代方案。G1 GC逐渐成为默认垃圾回收器，而ZGC和Shenandoah等新型GC也在不断成熟。对于低延迟需求高的应用，新的GC选项可能提供更好的性能和更低的维护成本。

8. 结论

CMS垃圾回收器为延迟敏感的应用提供了良好的解决方案，但其内存碎片问题和高资源消耗是其局限性。开发者应根据具体应用的需求选择合适的垃圾回收器，并考虑未来可能的迁移需求。