CMS垃圾回收算法【Java】

简介

CMS垃圾回收算法简化图

CMS垃圾回收算法是在常用的老年代垃圾回收算法之一，CMS垃圾回收算法是一种并行的垃圾回收算法，并行是指CMS在执行GC的过程中，大部分时间是和业务线程同时运行的。不同于串行化垃圾回收算法更加注重吞吐率指标，CMS垃圾回收算法主要关注的指标是暂停时间。

CMS垃圾回收算法主要分为以下流程：

并发标记，GC root直接关联的对象完成标记之后，CMS垃圾回收算法就可以进行并发标记。
重新标记，在并发标记的过程中，业务程序还在运行，所以可能会有漏标和误标的情况发生，漏标是指应该被标记为垃圾的对象未被标记，误标是指被标记为垃圾的对象又被重新引用，重新标记主要是为了解决误标的问题。
并发清理的过程是和业务程序同时运行的，将系统中已经被标记为垃圾的对象进行清理，之后该空间可以释放被重新分配。

GC Root示意图

初始标记阶段是STW（Stop The World，暂停所有业务线程）的，因为初始标记阶段是将和GC root直接关联的对象进行标记，所以该阶段需要一个静态的快照，也就是需要STW。

但是因为GC Root的数据对象是一个相对固定的数量，和堆空间的大小无关，所以初始标记的时间是相对可控的。

GC Root是垃圾回收算法标记的起点，GC Root是指明确存活的不能被垃圾回收的对象，这些对象：

JNI即本地方法栈中引用的对象。
Java虚拟机内部的引用，入基本数据类型的Class对象，一些常驻的异常对象（比如NullPointException、OutOfMemoryError等），还有系统类加载器
所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象
反应Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地缓存等

在初始标记环节，CMS只标记和GC Root直接关联的对象，就是图中黄色的对象，和直接关联对象再间接关联的对象在该阶段不进行标记。

初始标记完成之后，标记工作就可以和业务线程同时进行了。并行标记的一般采用三色标记的方式进行标记，三色标记是指在标记过程中将对象分为白色，黑色，灰色三种。


颜色	定义
黑色	对象自身扫描完成，并且完成了该对象所有引用的标记动作。
灰色	对象自身扫描完成，对象所引用的对象至少还有一个未标记完成，当标记完成之后变成黑色。灰色是中间状态，当垃圾回收结束的时候只有白黑两种颜色。
白色	没有被垃圾回收扫描过，当扫描结束的时候白色对象可以被回收。

三色标记的过程如下：

三色标记算法有三类问题，多标问题，漏标问题，以及新对象的问题。

多标问题是指在垃圾回收过程中该对象是扫描到被引用的，但是过程中断开了所有的引用，此时该对象已经是事实的垃圾，但是被标记为黑色，也就是多标问题。

多标问题关联的对象一般称为浮动垃圾，其不影响垃圾回收的正确性，可以在下次垃圾回收的时候进行清理。

漏标问题是指在垃圾回收过程中，该对象被灰色对象引用，但是过程中灰色对象到该对象的引用断开，而同时又有黑色对象引用了该对象，黑色对象因为不会再进行引用对象的标记，该对象就不能被正确扫描，从而被漏标。

漏标问题一般有两种方式解决，原始快照和增量更新。

原始快照是断开灰色对象和其他对象链接的时候，会把该关联关系保存下来，扫描结束之后，使用这条关系的快照重新将该对象进行标记。

增量更新是指当黑色节点指向其他对象的时候，将这个新增的引用关系保存下来，扫描结束的时候，再重新扫描该黑色对象节点。

在垃圾回收的过程中，旧生代可能还会产生新的对象，以及会有新生代对象晋升到旧生代，CMS垃圾回收算法会在内存占用到一定阶段的时候就进行垃圾回收，所以在垃圾回收的过程中，还会预留空间给新晋对象使用，这部分区域是不参与最后的清理的。

重新标记阶段主要是为了修正并发标记阶段的漏标问题。

CMS采用的方案是写屏障和增量更新来解决该类问题。

当黑色指向白色的引用被建立时，通过写屏障来记录引用关系，在重新标记阶段，再以引用关系里的黑色对象为根重新扫描一次即可。

为了使漏标问题不在该标记阶段再次发生，该阶段也需要STW。

并发清理阶段将未被标记的对象占用的内存区域进行回收，但是CMS只会进行清理，不会进行内存的整理，也就是将空闲内存重新整理为大块连续的内存区域。所以CMS垃圾回收算法会产生较多的内存碎片。