理解hotspot的CMS GC

理解hotspot CMS(并发标记清除垃圾收集器)中的暂停
CMS(concurrent mark sweep)并发清除标记的缩写，CMS尽可能的减少垃圾回收中的暂停，但是它仍然需要很少的暂停。暂停是指，停止应用程序的运行，JVM启动线程进行垃圾回收。CMS主要是针对old space空间的垃圾回收，copy collector主要针对young space的垃圾回收工作。启用CMS需要在JVM设置–XX:+UseConcMarkSweepGC。

CMS工作的基本阶段分为：
初始化标记：第一次暂停，初始化标记，在old space收集根集合，标记存活对象
并发标记：运行时标记，遍历old space，标记存活对象
准备清理：并发的标记前一阶段被修改的对象
重新标记：第二次暂停，检查，标记，检查脏页的对象，标记前一阶段被修改的对象
并发清理：运行过程中清理，扫面old space，释放不可到达对象占用的空间
并发重置：此次CMS结束后，重设CMS状态等待下次CMS的触发

碎片问题
因为年老代的并发收集器使用标记，清除算法，所以不会对堆进行压缩。当收集器回收时，他会把相邻的空间进行合并，这样可以分配给较大的对象。但是，当堆空间较小时，运行一段时间以后，就会出现"碎片"，如果并发收集器找不到足够的空间分配给新对象，那么并发收集器将会停止，然后使用传统的标记，清除方式进行回收。如果出现"碎片"，可能需要进行如下配置:
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:使用并发收集器时，开启对年老代的压缩。 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0:上面配置开启的情况下这里设置多少次Full GC后，对年老代进行压缩。

CMS中的暂停时长
第一阶段暂停：初始化标记
CMS标记可到达对象，收集根集，根集的引用主要来自线程栈和young space，收集线程栈的引用非常快，少于一毫秒。收集young space的引用依赖于young space空间对象的数量，young space包括Eden space和Survivor space，如果在young space垃圾回收发生之后，这是young space已经被清理了，Eden space为空，Survivor space很小，这是后收集只需要很少的时间。如果在young space满的时候收集，需要花很长的时间。所以如果选择CMS，可以通过设置CMS初始化标记的延迟时间，延迟到young space垃圾回收之后开始工作标记。–XX:CMSWaitDuration=这个值可以长于young space垃圾回收的周期。

第二阶段暂停：重新标记
前期的并发标记几乎完成了大部分的标记工作，但是在并发标记的过程中，有的对象被修改了，为了达到更精确的目的，需要暂停应用程序，检查从并发标记阶段开始被修改的对象，重新标记。卡表（card table）技术就是用来记录在标记过程中old space被修改的页。Remark阶段时间主要花在young space的扫描上，所以保证remark之前进行一次young space的垃圾回收。–XX:+CMSScavengeBeforeRemark强制JVM执行这个过程。

CMS什么时候开始？
CMS应该在old space撑爆之前启动，当old space的空闲空间越来越少，低于某个阈值的时候将激发CMS。实际情况是，CMS可能被延迟到young space垃圾回收完成以后。
正常情况是，young space的对象在垃圾回收后幸存下来后，会被晋升到old space。所以CMS循环总是发生在young space回收之后，这样初始化标记就会很快。但是也有特殊情况，大对象总是直接分配到old space，导致空闲空间下降后，引发CMS时，还未做young space回收，Eden space里有很多对象，初始化标记要花很长时间。避免这种长时间的暂停可以配置–XX:CMSWaitDuration延迟CMS的执行。
我们还可以配置old space引发CMS的阈值，这个阈值表示的old space的使用率， XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly  XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70，当old space的空间占用达到70%后会强制JVM执行CMS。
如果配置了 XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent，当应用程序调用System.gc()，JVM会启动CMS。
如果配置了-XX:+DisableExplicitGC 标志自动将 System.gc() 调用转换成一个空操作。

CMS中的Full GC
以下情况会导致Full GC：
CMS回收垃圾速度不够快；
垃圾回收周期启动太晚了；
Old space碎片过多；
JVM本省设置内存不够；
上面三种情况都会导致old space没有足够的空间分配给新对象，引发Full GC，应用程序会抛出内存溢出异常。内存溢出，是指系统没有内存分配给新对象，内存泄露是指，为对象分配的内存，使用后没有释放，这块内存一直被占用，导致总的可用内存空间的减少。

永久代空间的回收
另外一个导致full GC的原因在于永久代（permanent space），因为默认情况下，JVM的CMS是不会去回收永久代的对象。如果应用程序使用了大量的类加载和发射，就需要回收永久代的对象。 XX:+CMSClassUnloadingEnabled允许CMS回收永久代的不可到达对象。

利用多核
CMS分阶段工作，很多阶段是并发执行的，其他阶段也可以并行执行，通过下面配置可以减小应用程序被暂停的时长。
XX:+CMSConcurrentMTEnabled 允许CMS在并发阶段使用多核.
XX:+ConcGCThreads= 指定CMS并发阶段的线程数.
XX:+ParallelGCThreads= 指定在暂停阶段并行工作的线程数（默认情况等于物理核的数量）.
XX:+UseParNewGC 指示JVM使用并行收集器收集young space结合CMS工作.


以下是对JVM中常见配置总结
-Xms128m表示JVM Heap(堆内存)最小尺寸128MB，初始分配
-Xmx512m表示JVM Heap(堆内存)最大允许的尺寸256MB，按需分配。此值可以设置与-Xmx相同,以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

-Xss1m 设置每个线程的堆栈大小1M。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

-Xmn2g:设置年轻代大小为2G。整个堆大小=年轻代大小+年老代大小+持久代大小。持久代一般固定大小为64m,所以增大年轻代后,将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大,Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。
使用-XX:NewSize和-XX:MaxNewsize设置新域的初始值和最大值。
-XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为1：4，年轻代占整个堆栈的1/5
-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6 。

PermSize和maxPermSize表示虚拟机为java永久生成对象（Permanate generation）如class对象、方法对象这些可反射对象分配内存限制，这些内存不包括在Heap（堆内存）区之中。
-XX:PermSize=64MB 最小尺寸，初始分配
-XX:MaxPermSize=256MB 最大允许分配尺寸，按需分配
MaxPermSize缺省值和-server -client选项相关。
-server选项下默认MaxPermSize为64m
-client选项下默认MaxPermSize为32m

-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。 对于年老代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象再年轻代的存活 时间，增加在年轻代即被回收的概率

收集器设置
-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器
-XX:+UseParallelGC:设置并行收集器
-XX:+UseParalledlOldGC:设置并行年老代收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置并发收集器
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置此选项后，并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例，以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等，此值建议使用并行收集器时，一直打开。
-XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。测试中配置这个以后，-XX:NewRatio=4的配置失效了，原因不明。所以，此时年轻代大小最好用-Xmn设置。
-XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集。可与CMS收集同时使用。JDK5.0以上，JVM会根据系统配置自行设置，所以无需再设置此值。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片。

并行收集器设置
-XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
-XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间
-XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)
并发收集器设置
-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。
-XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。