CMS垃圾回收器详解

一、垃圾回收器的概述

在软件应用程序中，垃圾回收是一项重要的任务，它负责释放内存中不再使用的不必要的、无用的对象，使其可用于更多的内存分配。CMS(Concurrent Mark Sweep)垃圾回收器是Java虚拟机中的一种高效垃圾回收器，它的目标是尽可能缩短垃圾回收暂停的时间，以达到更高的吞吐量和响应速度。

CMS在整个垃圾回收的过程中，在工作线程和GC线程之间共享任务，所以其特别适用于需要低停顿时间的应用程序。

二、CMS垃圾回收器的工作流程

CMS垃圾回收器的工作流程可以大致分为预处理、初始标记、并发标记、重新标记、并发清除五个阶段。

1. 预处理:

CMS垃圾回收器在预处理阶段将遍历整个堆，首先对每个对象打上年龄标记，然后进行一轮初始标记。

2. 初始标记:

CMS垃圾回收器需要在当前工作线程的暂停时间内标记出所有的根对象，并跟踪直接关联到它们的对象。在这个阶段，虚拟机暂停所有 Java 线程，是整个CMS垃圾回收的瓶颈所在。

3. 并发标记:

在这个阶段，CMS垃圾回收器会对堆进行并发标记。由于用户线程同时在运行，因此会有新的对象在此期间被分配。如果某个对象被分配，在GC线程还没有标记到它的时候，这个对象就被称为 “并发对象”。

4. 重新标记:

这个阶段是CMS垃圾回收器的一个短暂暂停，它的目标是标记在并发标记期间新分配出来的对象。这样做是为了确保垃圾的完整性，新创建的对象必须被准确地标记为垃圾。

5. 并发清除:

在完成所有标记后，清理不再使用的对象的空间就是下一个步骤。CMS回收器会并发执行这个步骤，并清理整个堆。

三、CMS垃圾回收器的实现

CMS垃圾收集器实现了CMS算法中的各种细节，包括后重标记、并发清理、线程偏向、线程初始引用指针和立即重置。这些机制为CMS垃圾回收提供了扩展性和高并发性。为了实现上述操作，有以下几个类：

1. CMS Collector: CMS垃圾回收器的核心类，负责执行整个垃圾回收的流程。

2. ConcurrentMarkSweepGeneration: 作为内存分配和垃圾回收的核心，这个类在JVM堆中表示CMS堆。

3. ReferenceProcessor: 引用处理器，负责处理垃圾回收时所使用的软引用、弱引用和虚引用。

4. CMSParNewGen: 负责收集新生代垃圾，使用ParNew回收器收集新生代的垃圾。

public class CMSCollector {
    private ConcurrentMarkSweepGeneration cms;
    private ReferenceProcessor rp;
    private CMSParNewGen newGen;

    public CMSCollector(ConcurrentMarkSweepGeneration cms, ReferenceProcessor rp, CMSParNewGen newGen) {
        this.cms = cms;
        this.rp = rp;
        this.newGen = newGen;
    }

    public void collect() {
        // 预处理
        cms.preprocess();
        // 初始标记
        cms.initialMark();
        // 并发标记
        cms.concurrentMark(rp);
        // 重新标记
        cms.remark();
        // 并发清理
        cms.concurrentSweep(rp);
        // 丢弃并重新创建新生代
        newGen.collect();
    }
}

四、CMS垃圾回收器的优缺点

优点：

1. CMS垃圾回收器的应用对系统资源占用更少，使系统能够快速、高效地回收垃圾。

2. CMS垃圾回收器能够与应用程序并发执行，减少了对系统停顿时间的影响，提高了系统的可用性。

3. CMS垃圾回收器相对于其他垃圾回收器有更短的暂停时间，因为它可以在工作线程的暂停时间范围内完成垃圾回收。

缺点：

1. CMS垃圾回收器会对CPU资源产生较高的消耗，这可能会影响系统的性能。

2. 因为CMS垃圾回收器使用并发算法，所以需要更多的程序员时间来实现和维护。

3. 在进行GC期间，CMS垃圾回收器可能会因为受到线程运行状态的影响，导致标记不准确。

五、结论

CMS垃圾回收器是Java虚拟机中一个高效的垃圾回收器，它采用并发标记清除的方式，可以在与用户线程并发执行的情况下完成垃圾回收的工作。在处理大型应用程序时，CMS垃圾回收器比其他垃圾回收器具有更多的优势。但是，同时也有一些缺点需要注意，因此开发人员需要根据应用程序的特点来选择合适的垃圾回收器。

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