深入理解CMS&G1垃圾回收器

在Java中，垃圾回收器是自动管理内存的重要工具。垃圾回收器有很多种，其中CMS垃圾回收器和G1垃圾回收器又是其中重要的两种类型，下面我主要讲下这两种垃圾回收器：

CMS垃圾回收器

CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器是Java HotSpot虚拟机中的一个重要组件，是第一款真正意义上的并发回收器，实现了垃圾收集器与用户线程同时工作。以下将深入解析CMS垃圾回收器的工作原理，以及如何通过调整参数来优化其性能。

核心概念：三色标记法

三色标记将堆中对象分为三类，代表不同的扫描进度：

• ‌黑色‌：已被 GC 访问过，且其所有引用对象也均已扫描完毕。代表确认存活的对象，GC 不再重新扫描，同时黑色对象不可能直接指向白色对象

• ‌灰色‌：已被 GC 访问过，但其引用的子对象尚未全部扫描完毕。它是 GC 线程当前待处理的任务队列。

• ‌白色‌：尚未被 GC 访问过的对象。在刚刚分析可达性开始的时候，所有对象会被标记为白色，但是若标记结束后仍为白色，则判定为不可达（垃圾），可被回收。

1、工作流程

1.1、初始标记阶段（initiate Mark Phase）

在初始标记阶段，会通过根节点引用查找方法，把所有有关联的对象都标记出来。这个是STW（stop-the-world ），会暂停应用程序的运行。这时采用的标记方法是三色标记方法

1.2、并发标记阶段（Concurrent Mark Phase）

在这个阶段，在应用程序运行的同时，会对堆内存的对象进行标记出来，这个阶段是并发的，不会影响程序的运行

这个阶段可能会产生两种问题：漏标或多标

漏标：灰色对象断开对白色对象的引用，同时黑色对象新增对该白色对象的引用。由于黑色对象不再扫描，白色对象会被误判为垃圾

CMS解决方案是增量更新：

•  通过‌写屏障‌记录黑色对象新增的指向白色对象的引用

• 在重新标记阶段，将这些黑色对象重新置为‌灰色‌，并再次扫描其引用，确保白色对象被正确标记为存活

1.3、重新标记阶段（Remark Phase）

在这个阶段，修正并发标记阶段可能错误的标记。这个阶段会触发Stop-The-World事件，但时间较短。

1.4、清理阶段（sweep Phase）

在这个阶段，包括清理和重置线程，期间会释放未被标记的对象所占用的内存，这个阶段也是并发的，不影响程序的运行

2、参数调优

2.1、调整参数 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction

        使用参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection可以开启压缩整理阶段，以减少内存碎片和提高内存利用率。使用参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction可以设置在执行多少次Full GC后执行一次压缩整理。这两个参数可以根据实际情况进行调整。

2.2、调整内存大小 -Xmx和-Xms

        调整参数-Xmx和-Xms可以控制Java堆的最大和初始内存大小。如果堆内存过小，可能会导致频繁的Full GC，影响应用的性能。因此，需要根据实际情况调整这两个参数的大小。

2.3、避免大对象直接进入老年代 -XX:+UseLargePages

使用参数-XX:+UseLargePages可以避免大对象直接进入老年代，从而减少Full GC的频率。这个参数适用于有大量大对象的场景。

2.4、分析堆转储（Heap Dump）和垃圾回收日志（GC Log）

分析堆转储和垃圾回收日志可以帮助我们找到内存泄漏和频繁Full GC的原因。通过分析这些日志，我们可以更好地了解应用的内存使用情况，并进行针对性的优化。

3、特点&缺点

3.1 在初始标记和重新标记阶段，CMS会暂停应用程序的运行

3.2 CMS对老年代的清理不够彻底，可能会导致老年代中存在大量的空闲空间

G1 

G1(Garbage-First) 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。

重要概念：分区Region

1、工作流程

1.1 初始标记（Initial Marking Phase）

这个过程也是通过根节点引用方式找出所有可达的对象，速度是非常快的，但是也是停止应用程序，有stw(stop-the-world),

1.2 并发标记（Concurrent Mark Phase）

在初始标记完，进入并发标记阶段，这个过程中是不会停止应用程序的，会通过递归的方式进一步把所有的可达对象都标记出来

1.3 最终标记（final Mark Phase）

为了处理在并发标记过程中新产生的对象引用关系，G1 GC会执行一次短暂的STW的最终标记。这个阶段确保所有在并发标记阶段漏掉的对象都被正确标记

1.4 筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)

在这个阶段，G1 GC会根据每个Region的垃圾堆积情况和回收价值进行排序，并选择性地回收部分Region中的垃圾对象。回收过程包括将存活的对象从一个Region复制或移动到另一个Region，并更新相关的引用。这个过程也是并发的，旨在最大限度地减少停顿时间。同时，这个阶段可能会涉及到对象的整理和压缩，以减少内存碎片

2、参数调优

2.1、-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾收集器

2.2、-XX:G1HeapRegionSize：设置每个region的大小。

2.3、-XX:MaxGCPauseMillis：这个是期望GC最大停顿的时间。

2.4、-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent： 这个参数用于设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值，当堆内存达到这个数值，则启动回收机制。

3、特点&缺点

3.1、可预测的停顿时间，高效的内存回收，优化内存分配

3.2、对硬件要求比较高，适合大内存的服务。