【转载】一文看懂”ParNew+CMS”组合垃圾回收器

2023-10-13 291点热度 0人点赞 1条评论

因为工作的需要，笔者前前后后分别接触了HBase RegionServer、HiveServerMetastore以及HDFS NameNode这些大内存JVM服务。在和这些JVM系统打交道的过程中，GC优化始终是一个绕不过去的话题，有的是因为GC导致NameNode RPC请求耗时增大，有的是因为GC导致RegionServer/HiveServer/Metastore经常宕机。在优化的过程中，笔者花时间系统地学习并梳理了CMS、G1GC以及ZGC这几款垃圾回收器的原理，并基于这些原理进行了多次线上GC问题的定位以及优化。这个系列的文章初步安排了多篇：

【大内存服务GC实践】- 一文看懂”ParNew+CMS”组合垃圾回收器
【大内存服务GC实践】- “ParNew+CMS”组合垃圾回收器实践案例（一）
【大内存服务GC实践】- “ParNew+CMS”组合垃圾回收器实践案例（二）
【大内存服务GC实践】- 一文看懂G1垃圾回收器
【大内存服务GC实践】- G1垃圾回收器实践案例（一）
【大内存服务GC实践】- G1垃圾回收器实践案例（二）
【大内存服务GC实践】- 一文看懂ZGC垃圾回收器
【大内存服务GC实践】- ZGC垃圾回收器实践案例

这是这个系列的第一篇文章，我们来聊聊”ParNew+CMS”垃圾回收器是怎么工作的。Java开发工程师同学肯定对这个组合垃圾回收器有所了解，因为这通常是面试内容的一部分。根据笔者的面试经验，大多数面试者是停留在比较基础、初级的理论知识上面的。无论是关于ParNew还是CMS垃圾回收器，网上其实有很多相关的介绍，但笔者觉得大部分都比较零散，没有系统完整地对其进行介绍。希望这篇文章能够比较全方位地、逻辑清晰地、深入地将”ParNew+CMS”垃圾回收器介绍清楚。

从我们的认知说起

面试”ParNew+CMS”相关知识，面试官一般会从这几个简单的问题开始：

JVM内存为什么要分代？
新生代GC触发条件是什么？简单介绍一下新生代GC算法。
在哪些条件下对象会从新生代晋升到老年代？
老年代GC触发条件是什么？简单介绍一下老年代GC算法。
FGC触发条件是什么？
如果一个Java系统（CMS回收器，下同）新生代GC耗时长，可以考虑从哪些方面分析优化？
如果一个Java系统（CMS回收器，下同）老年代GC耗时长，可以考虑从哪些方面分析优化？
如果一个Java系统频繁发生FGC，可以考虑从哪些方面分析优化？

这些问题粗粗一看还是容易回答的，但是如果面试官深入地问其中的一些细节，比如”CMS回收算法中Card Table的作用主要有哪些？”，估计会难倒不少同学。另外，诸如6、7、8这三个实践类的问题，更是Java系统优化诊断专家的试金石。那这篇文章我们就深入地看看前面5个理论性质的问题，接下来一两篇文章再通过几个真实大数据生产线上的案例介绍”ParNew+CMS”组合回收器的优化实践。

JVM堆为什么要分代？

分代的垃圾回收策略，是基于两个假设：

不同对象的生命周期是不一样的。可以大体分成两类，一类称为短寿对象，这类对象存活时间很短，比如局部变量、短链接对象。与之对应的称为长寿对象，比如数据缓存、session对象等。
大部分Java应用中短寿对象占比都占绝大多数，这类对象可以很快就会被回收。

基于这两个事实假设，大多数GC算法都采用分代回收机制。将JVM堆划分成两个区域，一个小的新生代，一个大的老年代。新生代放置短寿对象，可以采用比较频繁的回收策略，每次可以回收掉大量的垃圾对象。老年代放置长寿对象，可以采用与新生代不同的回收策略。

新生代GC触发条件是什么？简单介绍一下新生代GC算法？

应用程序在Eden区生成新对象，一旦Eden区满了之后就会触发新生代GC，新生代GC算法使用复制算法。复制算法对Eden区以及S0区的对象进行标记，标记出活跃对象，然后将活跃对象复制到S1区。复制算法不会产生内存碎片。对于标记算法中如何判断一个对象是活跃的还是不活跃的（垃圾对象），现在一般使用可达性分析算法。

对吧，90%以上的同学都会这么回答。但这里面有很多细节没有讲清楚，比如标记使用的可达性分析算法是什么算法？具体如何标记一个对象？将活跃对象复制到S1之后，引用这些对象的指针如何变化？这些问题再深入地问下去，能回答出来的就少之又少了，但是理解这些基本知识是接下来深入理解G1ZGC的基础，所以非常有必要在这里进行一番介绍。

如何判断一个对象是否活跃？

判断对象是否活跃目前一般使用可达性分析算法。通过一系列称为”GC Roots”的元素作为起始点，从这些节点开始向下搜索，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则说明此对象是不活跃的。

“GC Roots”是什么？它本质上是一组活跃的引用，注意不是对象。容易理解的有线程栈上的引用变量、静态变量到对象的引用，在分代算法中从非收集区域指向收集区域对象的引用等。

新生代GC是Stop-The-World（以下简称STW）的，即只有标记线程工作，这样就可以将新生代堆想象成一个引用链快照，不会有应用线程去修改这个引用链，这样就可以使用深度优先算法进行引用遍历。JVM中具体的实现算法是三色标记算法，演示图（来自网上，下面相关图相同）如下：

我们把遍历对象图过程中遇到的对象，按”是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

白色：尚未访问过。

黑色：本对象已访问过，而且本对象引用到的其他对象也全部访问过了。

灰色：本对象已访问过，但是本对象引用到的其他对象尚未全部访问完。全部访问后，会转换为黑色。

假设现在有白、灰、黑三个集合（表示当前对象的颜色），其遍历访问过程为：

初始时，所有对象都在【白色集合】中。
将 GC Roots 直接引用到的对象挪到【灰色集合】中。
从灰色集合中获取对象：

（1）将本对象引用到的其他对象全部挪到【灰色集合】中。

（2）将本对象挪到【黑色集合】里面。

重复步骤3，直至【灰色集合】为空时结束。
结束后，仍在【白色集合】的对象即为 GC Roots 不可达，可以进行回收。

当STW时，对象间的引用是不会发生变化的，可以轻松完成标记（这句话重点记得，下文还会提到）。如下图所示，标记完成后为A、D、E、F和G节点都变成了黑色，B、C和H都是白色，表示B、C、H三个对象GC Roots不可达，为垃圾对象：

如何标记一个活跃对象？

通过三色标记法可以找到所有的活跃对象，那怎么标记这些活跃对象呢？目前主要使用位图标记活跃对象，堆中每个对象都有一个对应的位图，如果是活跃对象，该位图设置为1，否则设置为0。

如何跨区迁移对象？

到目前为止，通过三色标记法我们找到了新生代中所有活跃对象，并将对应的位图进行了标记。接着，我们需要将这些活跃对象从Eden/S0区移动到S1区。整个移动过程分为如下3个子步骤：

在S1区为对象申请特定大小的内存。
初始化对象，并将对象的字段进行赋值。
全部迁移完成之后将Eden/S0区的所有对象清除。

如何修改引用对象指针地址？

迁移完成之后还有一个问题，既然这些活跃对象从一个地方迁移到了另一个地方，那所有引用这些对象的对象指针就需要相应地修改，对吧？那这里就有一个问题，引用新生代对象的目标对象怎么找到呢？

分析一下，这些要找的目标肯定不在新生代，因为新生代存活的对象已经迁移了。那目标对象肯定存在于老年代，也就是有一些老年代的对象引用了新生代的对象，后者地址发生变化之后就要通知前者进行指针变化。问题来了，如何精确找到老年代中的哪个对象引用了新生代的对象呢？

有一个方案是扫描整个老年代的所有对象，但是这样的效率必然不高，尤其是在老年代内存设置非常大的情况下效率就会更差。于是JVM算法设计者设计了使用一个Card Table记录老年代对象到新生代对象的引用方案。

这里多说一句，通常有两种方法记录对象之间的引用关系，一种为Point Out，一种为Point In。假设有这样的引用关系，对象A的成员变量指向对象B（伪代码为：ObjA.Field = ObjB），对于Point Out的记录方式来说，会在对象A（ObjA）的Card Table中记录对象B（ObjB）的地址。对于Point In的记录方式来说，会在对象B（ObjB）的Card Table中记录对象A（ObjA）的地址，这相当于一种反向引用。这二者的区别在于处理时有所不同：Point Out方式在记录这种引用关系的时候比较简单，但是在反向查找时需要对Card Table做全部扫描。Point In记录引用关系操作相对稍微复杂，但是在标记扫描时可以直接找到有用和无用的对象，不需要进行额外的扫描，因为Card Table里面的对象可以看作根对象。”ParNew+CMS”组合回收器中老年代到新生代的跨代引用使用的是Point Out模式。

那Card Table是个什么数据结构呢？我们将老年代这个连续的堆内存空间划分成连续的512Byte内存块，Card Table是一个连续的数组，数组的每个元素大小是1Byte，分别映射老年代堆内存的512Byte空间。如果老年代的某个对象产生了跨代引用，就将对应Card Table上的数组元素标记为Dirty，这个Card就是所谓的Dirty Card。如下示意图所示：

有了Card Table，就不需要扫描整个老年代空间，而只需要扫描Dirty Cards对应的堆空间，遍历这些堆空间的对象进行必要的调整即可，这样可以大大提升扫描的效率，调整完成之后将对应的Dirty Card重置。

Card Table上的Card什么时候会被设置为Dirty？

这里需要引入一个非常关键的概念 – 写屏障。写屏障可以简单理解为一个钩子函数，对一个对象引用进行写操作（即引用赋值）之前或之后附加执行的逻辑。JVM通过写屏障维护Card Table，如果某一个老年代对象引用一个新生代对象，在将引用赋值写入到内存之前，会执行一段特定代码将老年代对象所在内存区域对应的Card设置为Dirty。没错，这听起来就像AOP。

在哪些条件下对象会从新生代晋升到老年代？

躲过15次新生代GC后晋升到老年代（15是默认情况）。
大对象直接进入老年代。
动态对象年龄判断机制：假如当Survivor区中，相同年龄的对象总大小大于这Survivor区域总大小的50%，那么大于等于这批对象年龄的对象，在下次YGC后就会晋升到老年代。
YGC后存活对象太多超过Survivor区大小，通过分配担保机制晋升到老年代。

老年代GC触发条件是什么？简单介绍一下老年代GC算法？

老年代使用内存占老年代实际大小比例超过一定阈值（可以通过参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction配置）之后会触发老年代GC。老年代GC使用并发标记清理算法，算法分为初始标记、并发标记、预清理、可中断的预清理、再标记、并发清理以及并发重置状态等7个步骤，其中初始标记、再标记以及并发清理3个阶段是STW。下面是一段完整老年代GC的日志片段：

现在我们深入地分析一下这些步骤：

1. 初始标记。从GC Roots集合以及新生代对象出发，标记直接引用的对象。示意图如下所示：

一文看懂”ParNew+CMS”组合垃圾回收器

2. 并发标记。从初识标记阶段标记出来的对象开始基于”三色标记法”找出所有存活对象并标记。这个阶段应用线程会和标记线程并发执行。假如此时只有标记线程工作，那并发标记前后的示意图如下：

一文看懂”ParNew+CMS”组合垃圾回收器

然而实际上，应用线程会和标记线程一起并发执行，这就可能出现如下几种情况：

对象引用被删除。
应用线程直接在老年代分配新对象。
新生代对象晋升到老年代。
老年代对象之间引用发生变更。

这样的话，并发标记完成后可能不是上面的示意图，而是如下这种示意图：

分别来看这几种情况：

对象引用被删除（上图场景1）：假如一个对象在被标记为活跃对象之后引用关系被删除。因为该对象已经被标记为活跃对象，所以它不会在本次GC中被回收。但是理论上来讲，这个对象是应该被回收的。应该被回收的对象没有被回收，这种情况不影响正确性，但会产生”浮动垃圾”。这种现象称为“多标”。
直接在老年代分配新对象（上图场景2）：如果在标记线程执行结束之后应用线程重新new了一些新对象（比如大对象）并产生了引用关系。这些对象本应该被标记为活跃对象但实际上没有被标记，就会出现正确性问题。这是“并发标记”引入的第一个问题。
新生代对象晋升到老年代（上图场景3）：因为应用线程在工作，所以Eden区就可能会满，进而触发YGC，YGC之后就会有新生代对象晋升到老年代。晋升到老年代的对象本应该被标记为活跃对象但实际上没有被标记，就会出现正确性问题。与场景2类似。
老年代对象之间引用发生变更（上图场景4）：这个场景稍微复杂一点，使用下面的示意图分析一下。

假设标记线程已经遍历到对象B（回想三色标记法，对象B变为灰色），这个时候应用线程执行了如下代码：

objB.fieldC = null; 
objA.filedC = C;

对应示意图中对象B和对象C之间的引用关系断掉，然后对象A和对象C之间建立新的引用关系。注意对象A和对象C之间虽然建立了新的引用关系，但是对象A已经是黑色了，不会再重新做遍历处理了。最终导致的结果就是：对象C会一直是白色，最后被当作垃圾清理掉。很显然，这直接影响到了应用程序的正确性，是不可接受的。这种现象称为“漏标”，这是“并发标记”引入的第二个问题。

可见，并发标记可以让应用线程与标记线程一起工作，不需要STW。但是会引入如下两个问题：

新增老年代对象没有被标记。
引用变更导致的漏标问题。

很显然，这些新增对象必须被重新标记上。那怎么重新标记这些新增的对象呢？

对于场景2，只能重新扫描GC Roots。

对于场景3，只能重新扫描新生代对象。

对于场景4，如果在引用变更的时候记录下对应的对象，比如上述场景如果能够记录下对象A，重新标记的时候从对象A开始重新标记，就可以相对快速的完成重新标记。实际实现中再次用到了上文介绍到的Card Table，当引用发生变更时，将对象A所在的Card标记为Dirty。后续只需扫描这些Dirty Cards的对象，避免扫描整个老年代。

这里有一个问题，如果在老年代并发标记的过程中同时发生了一次YGC。上文我们说过YGC会扫描Card Table中的Dirty Cards，找到跨代引用，同时在YGC完成后将Dirty Cards清空。很显然，增量更新和YGC这两个过程共用Card Table会产生冲突，一旦YGC完成之后将某个Dirty Card清空，但是这个Dirty Card刚好是”并发标记”过程中引用变更标记的，就会导致漏标。为了解决这个问题，CMS算法引入另一种数据结构Mod Union Table，它是一个位数组，数组中每个元素分别对应一个Card。基于这个新结构，在每次YGC处理完脏卡之前，会将该Dirty Card在Mod Union Table中对应的数组位置1。这样CMS在执行重新标记阶段的时候，扫描Mod Union Table和Card Table里面被标记的项，找到所有可能的Dirty Card。

3. 并发预处理。

4. 可中断预处理。

这两个阶段都是为了尽可能降低重标记阶段的耗时，采用增量更新的方式重新标记”并发标记”阶段新增的对象。这两个阶段依然是应用线程和标记线程并发执行的，所以还是会有新增对象产生，不过数量会降低很多。

5. 重标记。

经过上面两个阶段的预处理之后，需要重新标记的新增对象理论上应该不是很多了。这个阶段采用STW模式，最后一次标记遗留的新增对象：

遍历GC Roots，标记直接关联的没有被标记的老年代对象以及引用链上的对象。
遍历新生代对象，标记直接关联的没有被标记的老年代对象以及引用链上的对象。
遍历老年代的Dirty Cards，重新标记。

“并发标记-预处理-重标记”这个过程，类似于我们使用Distcp工具迁移一个不断写入的表。通常使用如下策略：

使用distcp全量拷贝一次数据。这个过程distcp和业务写入并发进行。（对应并发标记）
使用distcp -update增量拷贝一次或者多次数据。这个过程distcp和业务写入并发执行。（对应并发预处理）
经过上述两个步骤之后，可以认为需要增量拷贝的数据已经不多了。这个时候暂停写入，再使用distcp -update增量拷贝一次就完成了表的迁移。（对应重标记）

通过这种方式迁移对业务的影响应该是最低的。

6. 并发清理。

经过上述一系列的标记之后，没有被标记的对象就一定是垃圾对象。这些垃圾对象会被并发清理释放内存空间。

7. 并发重置。

进行Card Table等数据结构的重置等，为下一次GC做准备。

FGC触发条件是什么？

CMS垃圾回收器中FGC一旦发生，就会暂停所有应用线程，并退化成单线程进行垃圾回收，整个暂停耗时非常之长。CMS垃圾回收器一般有两种FGC触发条件：

Concurrent Mode Failure模式FGC。上文我们讲过老年代使用内存占总堆大小超过阈值-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的话就会触发老年代GC。老年代GC的”并发标记”阶段是应用线程和标记线程一起工作的，假如在并发标记的过程中，不断有对象晋升到老年代最终导致老年代内存放不下这些对象的话，就会触发Concurrent Mode Failure模式FGC。根据字面意思也可以猜到这种FGC和并发执行有关系。
Promotion Failure模式FGC。从字面意思来看是晋升失败，是一次新生代GC之后部分对象要晋升到老年代，但是老年代没有足够内存容纳这些对象导致FGC。通常来说，是因为老年代存在大量的内存碎片导致这种模式的FGC。