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前言

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??????本篇不是一篇詳細的教學,不會去介紹JVM內存模型相關的知識點,雖然這是理解GC必須的知識點,學習了解GC算法前,可以先吃一波我的安利:<深入理解Java虛擬機>,這本書作為對Java虛擬機的入門書是非常非常好的,同時,本篇也偏向于個人的一個筆記(目前個人水平有限,做不到對CMS GC 以及 JVM相關知識做系統性的詳細解讀),僅提供一種直觀的方式去展示以及解析CMS GC是如何運作的.

??????HotSpot JVM的并發標記清理收集器(CMS收集器)的主要目標就是：低應用停頓時間。該目標對于大多數交互式應用很重要，比如web應用.CMS GC收集器被設計成了大部分時間可與應用程序線程并行執行,只會停頓一小會時間(停止整個應用,下面會用Stop The World(STW)代替).

CMS GC 的 6個過程:

1.初始標記：為了收集應用程序的對象引用需要暫停應用程序線程，該階段完成后，應用程序線程再次啟動。
2.并發標記：從第一階段收集到的對象引用開始，遍歷所有其他的對象引用。
3.并發預清理：改變當運行第二階段時，由應用程序線程產生的對象引用，以更新第二階段的結果。
4.重標記：由于第三階段是并發的，對象引用可能會發生進一步改變。因此，應用程序線程會再一次
被暫停以更新這些變化，并且在進行實際的清理之前確保一個正確的對象引用視圖。
這一階段十分重要，因為必須避免收集到仍被引用的對象。
5.并發清理：所有不再被應用的對象將從堆里清除掉。
6.并發重置：收集器做一些收尾的工作，以便下一次GC周期能有一個干凈的狀態。

其中4個階段(名字以Concurrent開始的)與實際的應用程序是并發執行的，
而其他2個階段需要暫停應用程序線程(STW).

接下來就通過一段代碼來觸發并展示CMS GC的過程.

public class GCTest {

    private static final int _10MB = 10 * 1024 * 1024;

    /**
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        test();

    }

    /**
     * VM arg： -Xms100m(設置最大堆內存) -Xmx100m(設置初始堆內存) 
     * -Xmn50m(設置新生代大小)
     * -XX:+PrintGCDetails(打印GC日志詳細信息) 
     * -XX:+UseConcMarkSweepGC (采用 cms gc算法)
     * -XX:+UseParNewGC (新生代采用并行GC方式,
     * 高版本的jdk使用了UseConcMarkSweepGC參數時 這個參數會自動開啟)
     * -XX:SurvivorRatio=8 (新生代eden區與survivor區空間比例8:1,
     * eden:fromsurvivor:tosurvivor -->8:1:1)
     * -XX:MaxTenuringThreshold=1 (用于控制對象能經歷多少次
     * Minor GC(young gc)才晉升到老年代,默認15次)
     * -XX:+PrintTenuringDistribution(輸出survivor區幸存對象的年齡分布)
     * -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=68 *(設置老年代空間使用率多少時觸發第一次cms *gc,默認68%)
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void test() throws InterruptedException {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        for (int n = 1; n < 8; n++) {
            byte[] alloc = new byte[_10MB];
            list.add(alloc);
        }
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);

    }

}

執行展示

D:\platform\svn\demo>java -Xms100m -Xmx100m -Xmn50m -XX:+PrintGCDetails 
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1 
-XX:+PrintTenuringDistribution GCTest
[GC (Allocation Failure) 
[ParNew Desired survivor size 2621440 bytes, new threshold 1 (max 1)
- age   1:     636784 bytes,     636784 total: 33997K->632K(46080K), 0.0105313 secs] 
33997K->31354K(97280K), 0.0107013 secs]
[Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
//step 1,young gc,新生代沒有空間存入新對象,則發生young gc(也叫 minor gc),
//33997K->632K(46080K), 0.0105313 secs]新生代由33997K gc后變成了632K,
//整個heap區情況: 33997K->31354K(97280K)
//新生代的對象copy(新生代采用的是復制算法收集內存)到survivor區,
//但此處survivor容納不下,則直接copy到了老年代中大小(可以設置多大的對象直接升級到老年代中,
//參數XX:PretenureSizeThreshold=<value>)
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 32961K->32961K(46080K), 0.0001067 secs]
[CMS: 30722K->40960K(51200K), 0.0111639 secs] 63683K->62060K(97280K), 
[Metaspace: 2509K->2509K(1056768K)], 0.0118014 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
//step 2,老年代空間占用大小占比達到閾值,觸發第一次老年代GC,即CMS GC
//CMS: 30722K->40960K(51200K): 老年代由30722K變為40960K,總大小51200K
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 40960K(51200K)] 72995K(97280K), 0.0004270 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
//step 3 初始標記
[CMS-concurrent-mark-start]
[CMS-concurrent-mark: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
//step 4 并發標記
[CMS-concurrent-preclean-start]
[CMS-concurrent-preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
//step 5 并發預清理
[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: 32035 K (46080 K)][Rescan (parallel) , 0.0003930 secs]
//step 6重標記 
[weak refs processing, 0.0000436 secs][class unloading, 0.0001861 secs]
[scrub symbol table, 0.0003188 secs]
[scrub string table, 0.0000946 secs]
//weak refs processing 處理old區的弱引用，用于回收native memory
class unloading 回收SystemDictionary
[1 CMS-remark:40960K(51200K)] 72995K(97280K), 0.0013492 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]
//step 7 并發清理
[CMS-concurrent-reset-start]
[CMS-concurrent-reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
//step 8 并發重置
Heap
 par new generation   total 46080K, used 32445K [0x00000000f9c00000, 0x00000000fce00000, 0x00000000fce00000)
  eden space 40960K,  79% used [0x00000000f9c00000, 0x00000000fbbaf5b0, 0x00000000fc400000)
  from space 5120K,   0% used [0x00000000fc900000, 0x00000000fc900000, 0x00000000fce00000)
  to   space 5120K,   0% used [0x00000000fc400000, 0x00000000fc400000, 0x00000000fc900000)
 concurrent mark-sweep generation total 51200K, used 40960K [0x00000000fce00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
 Metaspace       used 2515K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 269K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

相應的注釋都詳細標注了,現在解讀一下GC日志:
基本上都是這種格式：回收前區域占用的大小->回收后區域占用的大小（區域設置的大小），耗時.
現在取step2 這部分日志做一個全面的分析作為解讀GC日志的典型:

[GC (Allocation Failure) [ParNew: 32961K->32961K(46080K), 0.0001067 secs]
[CMS: 30722K->40960K(51200K), 0.0111639 secs] 63683K->62060K(97280K), 
[Metaspace: 2509K->2509K(1056768K)], 0.0118014 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]

[ParNew: 32961K->32961K(46080K), 0.0001067 secs]

ParNew 表明新生代是并行方式進行GC,

串行收集器：
DefNew：是使用-XX:+UseSerialGC（新生代，老年代都使用串行回收收集器）。
并行收集器：
ParNew：是使用-XX:+UseParNewGC（新生代使用并行收集器，老年代使用串行回收收集器）或者-XX:+UseConcMarkSweepGC(新生代使用并行收集器，老年代使用CMS)。
PSYoungGen：是使用-XX:+UseParallelOldGC（新生代，老年代都使用并行回收收集器）或者-XX:+UseParallelGC（新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器）
garbage-first heap：是使用-XX:+UseG1GC（G1收集器）

32961K->32961K(46080K) 新生代大小由32961K變成32961K,總大小為46080K,young gc 耗時 0.0001067 secs.

[CMS: 30722K->40960K(51200K), 0.0111639 secs]

CMS:表明是老年代堆區(因為CMS只作用于老年代),

 63683K->62060K(97280K)

heap 區情況,

[Metaspace: 2509K->2509K(1056768K)]

Metaspace :元空間是jdk 8 的新特性,可簡單理解為其替換了8 之前的永久代PermGen Space(方法區).
方法區是JVM的規范,而永久代則是JVM規范的一種實現,元空間也是方法區的一種實現.

[Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]

這里的user,sys,real 與 linux的time 命令所輸出的時間含義一致,分別代表用戶太消耗的CPU時間,內核態消耗的CPU時間,和操作從開始到結束所經過的墻鐘時間---引用自<深入理解Java虛擬機> 3.5.8 理解GC日志.

實際上到這里整個過程就完成的差不多了,但是我在執行過程中,又發現了一個有趣的東西,就是concurrent mode failure情況,當我new 出的對象超過了堆內存的最大內存后會發生OOM時,就出現concurrent mode failure,GC日志如下:

[GC [ParNew: 31539K->496K(46080K), 0.0137601 secs] 31539K->31218K(97280K), 0.0152885 secs] 
[Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
[GC [ParNew: 33275K->33275K(46080K), 0.0003866 secs][CMS: 30722K->40960K(51200K), 0.0217084 secs]
63997K->61912K(97280K), [CMS Perm : 2534K->2532K(21248K)], 0.0231226 secs] 
[Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
[GC [1 CMS-initial-mark: 40960K(51200K)] 72152K(97280K), 0.0004554 secs]
 [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC [CMS[CMS-concurrent-mark: 0.010/0.011 secs] 
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
 (concurrent mode failure): 40960K->40960K(51200K), 0.0159043 secs] 72152K->72152K(97280K), [CMS Perm : 2532K->2532K(21248K)], 0.0165056 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]
[Full GC [CMS: 40960K->40960K(51200K), 0.0075621 secs] 
72152K->72138K(97280K), [CMS Perm : 2532K->2532K(21248K)], 0.0084089 secs]
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at GCTest.test(GCTest.java:19)
        at GCTest.main(GCTest.java:12)

造成這種情況的原因是:在執行CMS GC的過程中同時有對象要放入舊生代，而此時老年代空間不足造成的。
同樣的情況還有promotion failed這種情形,這是由于在進行Minor GC(young gc)時，survivor space放不下、對象只能放入老年代，而此時老年代也放不下造成的.

結束

Java 9 也出來了一段時間了,Java9的默認gc算法是G1算法,之前有學習過G1 gc,但沒有真正的使用過,時間充裕的話,接下來的一篇應該會是G1 gc 的學習筆記.

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