实例透彻分析CMS垃圾收集器执行过程

CMS收集器收集步骤：

在上一次【https://www.cnblogs.com/webor2006/p/11055468.html】中已经对CMS的垃圾收集器有了一定的理论上的了解，其中提到了CMS收集器完整的七个步骤，这一次则对每一个步骤进行一个详细了解，并会用程序来理解这七个步骤。

• Phase1 ：Initial Mark【初始标记】
  这个是CMS两次stop-the-world事件的其中一次，这个阶段的目标是：标记那些直接被GC root引用或被年轻代存活对象所引用的所有对象。用图来表示：
  上面有对象是直接被GC ROOTS所指用的，有些对象是被年轻代引用的，都会被标记出来。
• Phase2 : Concurrent Mark 【并发标记】
  在这个阶段Garbage Collector会遍历老年代，然后标记所有存活的对象，它会根据上个阶段找到GC ROOTS遍历查找。并发标记阶段，它会与用户的应用程序并发运行。并不是老年代所有的存活对象都会被标记，因为在标记期间用户的程序可能会改变一些引用。如下图：
  在上面的图中，与阶段1的图进行对比，就会发现有一个对象的引用已经发生了变化，如标黑的那个对象。

• Phase3 : Concurrent Preclean【并发预先清除】
  这也是一个并发阶段，与应用的线程并发运行，并不会stop应用的线程。在并发运行的过程中，一些对象的引用可能会发生变化，但是这种情况发生时，JVM会将包含这个对象的区域（Card）标记为Dirty，这也就是Card Marking。
  在pre-clean阶段，那些能够从Dirty对象到达的对象也会被标记，这个标记做完之后，dirty card标记就会被清除了。
  下面看下示意图：
  

  上图中标红的则为Dirty，而能够被它所直接到达的对象也会被标记，标记完了则dirty card标记被清除，如下：
  

• Phase4 : Concurrent Abortable Preclean【并发可能失败的预先清除】
  这也是一个并发阶段，但是同样不会影响用户的应用线程，这个阶段是为了尽量承担STW(stop-the-world)中最终标记阶段的工作。这个阶段持续时间依赖于很多的因素，由于这个阶段是在重复做很多相同的工作，直接满足一些条件（比如：重复迭代的次数、完成的工作量或者时钟时间等）
• Phase5 : Final Remark【最终重新标记】
  这是第二个STW阶段，也是CMS中的最后一个，这个阶段的目标是标记老年代所有的存活对象，由于之前的阶段是并发执行的，GC线程可能跟不上应用程序的变化，为了完成标记老年代所有存活对象的目标，STW就非常有必要了。
  通常CMS的Final Remark阶段会在年代代尽可能干净的时候运行，目的是为了减少连续STW发生的可能性（年轻代存活对象过多的话，也会导致老年代涉及的存活对象会很多）。这个阶段会比前面的几个阶段更复杂一些。
• 标记阶段完成
  经历过以上五个阶段之后，老年代所有存活的对象都被标记过了，现在可以通过清除算法去清理那些老年代不再使用的对象。可见其实CMS是将一个标记阶段细分成五个子阶段了。
• Phase6 : Concurrent Sweep【并发清除】
  这里不需要STW，它是与用户的应用程序并发运行，这个阶段是：清除那些不再使用的对象，回收它们的占用空间为将来使用，如图：
  
• Phase7 : Concurrent Reset【并发重置】
  这个阶段也是并发执行的，它会重设CMS内部的数据结构，为下次的GC做准备。

好，下面来对CMS进行一个总结：CMS通过将大量工作分散到并发处理阶段来减少STW时间，在这块做得非常优秀，但是CMS也有一些其它的问题，主要是如下问题：
1、CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage）,可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生，可能引发串行Full GC；

2、空间碎片，导致无法分配大对象，CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开发参数（默认就是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行Full GC时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长；

3、对于堆比较大的应用，GC的时间难以预估。

实践来感受CMS的七大步骤：

关于CMS的七大步骤我们已经理论话的对它进行了学习，但是！！！还是有些抽象，所以接下来会用程序来加深对步骤的理解，可以完完整整通过实验来看到所有的步骤，先新建一个测试类：

目前程序是平淡无奇的，接下来给JVM增加一些启动参数，如下：

好，整个实验需要的JVM参数都已经设定好了，接下来运行看一下输出：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/bin/java -verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseConcMarkSweepGC -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/deploy.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/cldrdata.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/dnsns.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jaccess.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/jfxrt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/localedata.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/nashorn.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunec.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunjce_provider.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/sunpkcs11.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext/zipfs.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/javaws.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfxswt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/management-agent.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/plugin.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/ant-javafx.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/dt.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/javafx-mx.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/jconsole.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/packager.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/sa-jdi.jar:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_92.jdk/Contents/Home/lib/tools.jar:/Users/xiongwei/Documents/workspace/IntelliJSpace/jvm_lectue/out/production/classes:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/mysql/mysql-connector-java/5.1.34/46deba4adbdb4967367b013cbc67b7f7373da60a/mysql-connector-java-5.1.34.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/cglib/cglib/3.2.0/bced5c83ed985c080a24dc5a42b0ca631556f413/cglib-3.2.0.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/org.ow2.asm/asm/5.0.3/dcc2193db20e19e1feca8b1240dbbc4e190824fa/asm-5.0.3.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/org.apache.ant/ant/1.9.4/6d473e8653d952045f550f4ef225a9591b79094a/ant-1.9.4.jar:/Users/xiongwei/.gradle/caches/modules-2/files-2.1/org.apache.ant/ant-launcher/1.9.4/334b62cb4be0432769679e8b94e83f8fd5ed395c/ant-launcher-1.9.4.jar com.jvm.gc.MyTest5
111111
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 5119K->354K(9216K), 0.0038338 secs] 5119K->4452K(19456K), 0.0038874 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
222222
333333
[GC (Allocation Failure) [ParNew (promotion failed): 6657K->6814K(9216K), 0.0038483 secs][CMS: 8196K->8192K(10240K), 0.0041740 secs] 10755K->10573K(19456K), [Metaspace: 2650K->2650K(1056768K)], 0.0080758 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 8192K(10240K)] 14669K(19456K), 0.0005176 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-preclean-start]
444444
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
[CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 6800 K (9216 K)][Rescan (parallel) , 0.0020690 secs][weak refs processing, 0.0000105 secs][class unloading, 0.0002582 secs][scrub symbol table, 0.0005401 secs][scrub string table, 0.0001471 secs][1 CMS-remark: 8192K(10240K)] 14992K(19456K), 0.0031107 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-sweep-start]
[CMS-concurrent-sweep: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
 par new generation   total 9216K, used 6964K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
  eden space 8192K,  85% used [0x00000007bec00000, 0x00000007bf2cd1e0, 0x00000007bf400000)
  from space 1024K,   0% used [0x00000007bf400000, 0x00000007bf400000, 0x00000007bf500000)
  to   space 1024K,   0% used [0x00000007bf500000, 0x00000007bf500000, 0x00000007bf600000)
 concurrent mark-sweep generation total 10240K, used 8192K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
 Metaspace       used 2657K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 287K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
 
Process finished with exit code 0

哇~~好神奇，输出了这么多日志，下面咱们来仔细分析一下：

下面具体来分析一下GC的日志：

这不就是七大阶段的第一阶段么？

接下来继续：

这不是对应七大步骤的第二步骤么？

接着第三个阶段：

对应第四个阶段：

接着对应第五个步骤了，执行了一次STW了：

其中这个阶段的日志信息有点多，下面解读一下：

接着继续：

对应第六个阶段：

最后一阶段：

整个CMS垃圾收集器处理完之后，接下来看一下堆的情况：