CMS垃圾回收器詳解

一、垃圾回收器的概述

在軟體應用程序中，垃圾回收是一項重要的任務，它負責釋放內存中不再使用的不必要的、無用的對象，使其可用於更多的內存分配。CMS(Concurrent Mark Sweep)垃圾回收器是Java虛擬機中的一種高效垃圾回收器，它的目標是儘可能縮短垃圾回收暫停的時間，以達到更高的吞吐量和響應速度。

CMS在整個垃圾回收的過程中，在工作線程和GC線程之間共享任務，所以其特別適用於需要低停頓時間的應用程序。

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為預處理、初始標記、並發標記、重新標記、並發清除五個階段。

1. 預處理:

CMS垃圾回收器在預處理階段將遍歷整個堆，首先對每個對象打上年齡標記，然後進行一輪初始標記。

2. 初始標記:

CMS垃圾回收器需要在當前工作線程的暫停時間內標記出所有的根對象，並跟蹤直接關聯到它們的對象。在這個階段，虛擬機暫停所有 Java 線程，是整個CMS垃圾回收的瓶頸所在。

3. 並發標記:

在這個階段，CMS垃圾回收器會對堆進行並發標記。由於用戶線程同時在運行，因此會有新的對象在此期間被分配。如果某個對象被分配，在GC線程還沒有標記到它的時候，這個對象就被稱為 「並發對象」。

4. 重新標記:

這個階段是CMS垃圾回收器的一個短暫暫停，它的目標是標記在並發標記期間新分配出來的對象。這樣做是為了確保垃圾的完整性，新創建的對象必須被準確地標記為垃圾。

5. 並發清除:

在完成所有標記後，清理不再使用的對象的空間就是下一個步驟。CMS回收器會並發執行這個步驟，並清理整個堆。

三、CMS垃圾回收器的實現

CMS垃圾收集器實現了CMS演算法中的各種細節，包括後重標記、並發清理、線程偏向、線程初始引用指針和立即重置。這些機製為CMS垃圾回收提供了擴展性和高並發性。為了實現上述操作，有以下幾個類：

1. CMS Collector: CMS垃圾回收器的核心類，負責執行整個垃圾回收的流程。

2. ConcurrentMarkSweepGeneration: 作為內存分配和垃圾回收的核心，這個類在JVM堆中表示CMS堆。

3. ReferenceProcessor: 引用處理器，負責處理垃圾回收時所使用的軟引用、弱引用和虛引用。

4. CMSParNewGen: 負責收集新生代垃圾，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() {
        // 預處理
        cms.preprocess();
        // 初始標記
        cms.initialMark();
        // 並發標記
        cms.concurrentMark(rp);
        // 重新標記
        cms.remark();
        // 並發清理
        cms.concurrentSweep(rp);
        // 丟棄並重新創建新生代
        newGen.collect();
    }
}

四、CMS垃圾回收器的優缺點

優點：

1. CMS垃圾回收器的應用對系統資源佔用更少，使系統能夠快速、高效地回收垃圾。

2. CMS垃圾回收器能夠與應用程序並發執行，減少了對系統停頓時間的影響，提高了系統的可用性。

3. CMS垃圾回收器相對於其他垃圾回收器有更短的暫停時間，因為它可以在工作線程的暫停時間範圍內完成垃圾回收。

缺點：

1. CMS垃圾回收器會對CPU資源產生較高的消耗，這可能會影響系統的性能。

2. 因為CMS垃圾回收器使用並發演算法，所以需要更多的程序員時間來實現和維護。

3. 在進行GC期間，CMS垃圾回收器可能會因為受到線程運行狀態的影響，導致標記不準確。

五、結論

CMS垃圾回收器是Java虛擬機中一個高效的垃圾回收器，它採用並發標記清除的方式，可以在與用戶線程並發執行的情況下完成垃圾回收的工作。在處理大型應用程序時，CMS垃圾回收器比其他垃圾回收器具有更多的優勢。但是，同時也有一些缺點需要注意，因此開發人員需要根據應用程序的特點來選擇合適的垃圾回收器。