CMS收集器

    CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用，它是HotSpot虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

    从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS收集器是一种 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤：

初始标记：

    暂停所有的其他线程(STW)，并记录下gc roots直接能引用的对象，速度很快

并发标记：

    并发标记阶段就是从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程， 这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程， 可以与垃圾收集线程一起并发运行。因为用户程序继续运行，可能会有导致已经标记过的对象状态发生改变。

重新标记：

    重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短。主要用到三色标记里的增量更新算法(见下面详解)做重新标记。

并发清理：

    开启用户线程，同时GC线程开始对未标记的区域做清扫。这个阶段如果有新增对象会被标记为黑色不做任何处理(见下面三色标记算法详解)。

并发重置：

    重置本次GC过程中的标记数据。

从它的名字就可以看出它是一款优秀的垃圾收集器，主要优点：并发收集、低停顿。但是它有下面几个明显的缺点：

1.对CPU资源敏感（会和服务抢资源）；

2.无法处理浮动垃圾(在并发标记和并发清理阶段又产生垃圾，这种浮动垃圾只能等到下一次gc再清理了)；

3.它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生，当然通过参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection可以让jvm在执行完标记清除后再做整理执行过程中的不确定性，会存在上一次垃圾回收还没执行完，然后垃圾回收又被触发的情况，特别是在并发标记和并发清理阶段会出现，一边回收，系统一边运行，也许没回收完就再次触发full gc，也就是"concurrent mode failure"，此时会进入stop the world，用serial old垃圾收集器来回收

CMS的相关核心参数

1.-XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms

2.-XX:ConcGCThreads：并发的GC线程数

3.-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少碎片）

4.-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一 次

5.-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 当老年代使用达到该比例时会触发FullGC（默认是92，这是百分比）

6.-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：只使用设定的回收阈值(-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设 定的值)，如果不指定，JVM仅在第一次使用设定值，后续则会自动调整

7.-XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS GC前启动一次minor gc，目的在于减少老年代对年轻代的引用，降低CMS GC的标记阶段时的开销，一般CMS的GC耗时 80%都在标记阶段

8.-XX:+CMSParallellnitialMarkEnabled：表示在初始标记的时候多线程执行，缩短STW

9.-XX:+CMSParallelRemarkEnabled：在重新标记的时候多线程执行，缩短STW;

三色标记

    在并发标记的过程中，因为标记期间应用线程还在继续跑，对象间的引用可能发生变化，多标和漏标的情况就有可能发生。这里引入“三色标记”来给大家解释下，把GcRoots可达性分析遍历对象过程中遇到的对象， 按照“是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

黑色：

    表示对象已经被垃圾收集器访问过， 且这个对象的所有引用都已经扫描过。 黑色的对象代表已经扫描过， 它是安全存活的， 如果有其他对象引用指向了黑色对象， 无须重新扫描一遍。 黑色对象不可能直接（不经过灰色对象） 指向某个白色对象。

灰色：

    表示对象已经被垃圾收集器访问过， 但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。

白色:

    表示对象尚未被垃圾收集器访问过。 显然在可达性分析刚刚开始的阶段， 所有的对象都是白色的， 若在分析结束的阶段， 仍然是白色的对象， 即代表不可达。

标记过程：

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：

3.1. 将本对象 引用到的 其他对象 全部挪到 【灰色集合】中；

3.2. 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

多标-浮动垃圾

    在并发标记过程中，如果由于方法运行结束导致部分局部变量(gcroot)被销毁，这个gcroot引用的对象之前又被扫描过 (被标记为非垃圾对象)，那么本轮GC不会回收这部分内存。这部分本应该回收但是没有回收到的内存，被称之为“浮动 垃圾”。浮动垃圾并不会影响垃圾回收的正确性，只是需要等到下一轮垃圾回收中才被清除。

    另外，针对并发标记(还有并发清理)开始后产生的新对象，通常的做法是直接全部当成黑色，本轮不会进行清除。这部分 对象期间可能也会变为垃圾，这也算是浮动垃圾的一部分。

漏标-读写屏障

漏标只有同时满足以下两个条件时才会发生：

    条件一：灰色对象 断开了 白色对象的引用；即灰色对象 原来成员变量的引用 发生了变化。

    条件二：黑色对象 重新引用了 该白色对象；即黑色对象 成员变量增加了 新的引用。

漏标会导致被引用的对象被当成垃圾误删除，这是严重bug，必须解决，有两种解决方案： 增量更新（Incremental Update） 和原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB） 。

增量更新就是当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时， 就将这个新插入的引用记录下来， 等并发扫描结束之后， 再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根， 重新扫描一次。 这可以简化理解为， 黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后， 它就变回灰色对象了。

原始快照就是当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时， 就将这个要删除的引用记录下来， 在并发扫描结束之后， 再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根， 重新扫描一次，这样就能扫描到白色的对象，将白色对象直接标记为黑色(目的就是让这种对象在本轮gc清理中能存活下来，待下一轮gc的时候重新扫描，这个对象也有可能是浮动垃圾)

参考：https://www.jianshu.com/p/bbc10c98d0d6

以上无论是对引用关系记录的插入还是删除， 虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。

写屏障实现原始快照（SATB）：当对象B的成员变量的引用发生变化时，比如引用消失（a.b.d = null），我们可以利用写屏障，将B原来成员变量的引用对象D记录下来：

写屏障实现增量更新：当对象A的成员变量的引用发生变化时，比如新增引用（a.d = d），我们可以利用写屏障，将A新的成员变量引用对象D 记录下来：

记忆集

当我们进行young gc时，我们的gc roots除了常见的栈引用、静态变量、常量、锁对象、class对象这些常见的之外，如果老年代有对象引用了我们的新生代对象，那么老年代的对象也应该加入gc roots的范围中，但是如果每次进行young gc我们都需要扫描一次老年代的话，那我们进行垃圾回收的代价实在是太大了，因此我们引入了一种叫做记忆集的抽象数据结构来记录这种引用关系。

什么是记忆集?

    记忆集是一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的数据结构。

    如果我们不考虑效率和成本问题，我们可以用一个数组存储所有有指针指向新生代的老年代对象。但是如果这样的话我们维护成本就很好，打个比方，假如所有的老年代对象都有指针指向了新生代，那么我们需要维护整个老年代大小的记忆集，毫无疑问这种方法是不可取的。因此我们引入了卡表的数据结构

什么是卡表？

    记忆集是我们针对于跨代引用问题提出的思想，而卡表则是针对于该种思想的具体实现。（可以理解为记忆集是结构，卡表是实现类）

    在hotspot虚拟机中，卡表是一个字节数组，数组的每一项对应着内存中的某一块连续地址的区域，如果该区域中有引用指向了待回收区域的对象，卡表数组对应的元素将被置为1，没有则置为0；

G1的记忆集

上述的卡表机制基本上适用于CMS垃圾回收器，因为CMS垃圾回收器只需要在young gc时维护老年代对新生代的引用即可，但是G1垃圾回收器不一样，因为G1垃圾回收器是基于分区模型的，所以每一个Region需要知道有哪些region的引用指向了它，并且这些region是不是本次垃圾回收区域的一部分。因此G1垃圾回收器不能简单的只维护一个卡表(卡表只能简单的知道某块内存区域有没有引用收集区域的对象，但是不能知道到底是谁引用了自己)，所以在G1垃圾回收器的记忆集的实现实际上是基于哈希表的，key代表的是其他region的起始地址，value是一集合，里面存放了对应区域的卡表的索引，因此G1的region能够通过记忆集知道，当前是哪个region有引用指向了它，并且能知道是哪块区域存在指针指向。

但是大家应该能注意到，每个region都维护一个记忆集，内存占用量肯定很大，这也就是为什么G1垃圾回收器比传统的其他垃圾回收器要有更高的内存占用。据统计G1至少要耗费大约10%-20%的Java堆空间来维护收集器的工作。

参考：

https://blog.csdn.net/xc1989xc/article/details/107466313

https://blog.csdn.net/shangshanzixu/article/details/113918994