Java之CMS GC的7个阶段

CMS收集器的主要设计目标是：低应用停顿时间。它通过两种方式实现这一目标：

1. 不压缩老年代，而是使用空闲列表来管理回收空间。
2. 大部分标记清理工作与应用程序并发执行。

主要问题：由于不压缩带来的老年代堆碎片，或者在对象分配率高的情况下，都可能导致Full GC。

CMS收集器的GC周期主要由7个阶段组成，其中有两个阶段会发生stop-the-world，其他阶段都是并发执行的。（亦有4个阶段、6个阶段等说法）

Phase 1: Initial Mark（初始化标记）

初始化标记阶段，是CMS GC的第一个阶段，也是标记阶段的开始。主要工作是标记可直达的存活对象。

主要标记过程

• 从GC Roots遍历可直达的老年代对象；
• 遍历被新生代存活对象所引用的老年代对象。

程序执行情况

• 支持单线程或并行标记。
• 发生stop-the-world，暂停所有应用线程。

 

（Marked obj：老年代绿色圆点表示被初始化标记的对象。）

Phase 2: Concurrent Mark（并发标记）

并发标记阶段，是CMS GC的第二个阶段。

在该阶段，GC线程和应用线程将并发执行。也就是说，在第一个阶段（Initial Mark）被暂停的应用线程将恢复运行。

并发标记阶段的主要工作是，通过遍历第一个阶段（Initial Mark）标记出来的存活对象，继续递归遍历老年代，并标记可直接或间接到达的所有老年代存活对象。

 

（Current obj：该对象的引用关系发生变化，对下一个对象的引用被删除。）

由于在并发标记阶段，应用线程和GC线程是并发执行的，因此可能产生新的对象或对象关系发生变化，例如：

• 新生代的对象晋升到老年代；
• 直接在老年代分配对象；
• 老年代对象的引用关系发生变更；
• 等等。

对于这些对象，需要重新标记以防止被遗漏。为了提高重新标记的效率，本阶段会把这些发生变化的对象所在的Card标识为Dirty，这样后续就只需要扫描这些Dirty Card的对象，从而避免扫描整个老年代。

Phase 3: Concurrent Preclean（并发预清理）

在并发预清洗阶段，将会重新扫描前一个阶段标记的Dirty对象，并标记被Dirty对象直接或间接引用的对象，然后清除Card标识。

标记被Dirty对象直接或间接引用的对象：

 

清除Dirty对象的Card标识：

 

Phase 4: Concurrent Abortable Preclean（可中止的并发预清理）

本阶段尽可能承担更多的并发预处理工作，从而减轻在Final Remark阶段的stop-the-world。

在该阶段，主要循环的做两件事：

• 处理 From 和 To 区的对象，标记可达的老年代对象；
• 和上一个阶段一样，扫描处理Dirty Card中的对象。

具体执行多久，取决于许多因素，满足其中一个条件将会中止运行：

• 执行循环次数达到了阈值；
• 执行时间达到了阈值；
• 新生代Eden区的内存使用率达到了阈值。

Phase 5: Final Remark（重新标记）

预清理阶段也是并发执行的，并不一定是所有存活对象都会被标记，因为在并发标记的过程中对象及其引用关系还在不断变化中。

因此，需要有一个stop-the-world的阶段来完成最后的标记工作，这就是重新标记阶段（CMS标记阶段的最后一个阶段）。主要目的是重新扫描之前并发处理阶段的所有残留更新对象。

主要工作：

• 遍历新生代对象，重新标记；（新生代会被分块，多线程扫描）
• 根据GC Roots，重新标记；
• 遍历老年代的Dirty Card，重新标记。这里的Dirty Card，大部分已经在Preclean阶段被处理过了。

Phase 6: Concurrent Sweep（并发清理）

并发清理阶段，主要工作是清理所有未被标记的死亡对象，回收被占用的空间。

 

Phase 7: Concurrent Reset（并发重置）

并发重置阶段，将清理并恢复在CMS GC过程中的各种状态，重新初始化CMS相关数据结构，为下一个垃圾收集周期做好准备。

 

参考

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html#concurrent_mark_sweep_cms_collector

https://blogs.oracle.com/poonam/understanding-cms-gc-logs

https://blogs.oracle.com/jonthecollector/the-unspoken-phases-of-cms

https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms-implementations#concurrent-mark-and-sweep

https://www.jianshu.com/p/2a1b2f17d3e4

http://psy-lob-saw.blogspot.com/2014/10/the-jvm-write-barrier-card-marking.html

https://www.cnblogs.com/littleLord/p/5380624.html

 

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