提纲：CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器
1. 引言
- 简介
- 垃圾回收器的基本概念
- 垃圾回收的重要性
- Java垃圾回收器的演变
2. CMS垃圾回收器概述
- 定义和背景
- CMS的设计目标
- 优点和缺点
- 使用场景
3. CMS的工作机制
- 标记-清除算法简介
- CMS的四个阶段
- 初始标记 (Initial Mark)
- 并发标记 (Concurrent Mark)
- 重新标记 (Remark)
- 并发清除 (Concurrent Sweep)
4. CMS的实现细节
- 初始标记阶段的实现
- 并发标记阶段的实现
- 重新标记阶段的优化
- 并发清除阶段的策略
- 写屏障的使用
5. CMS的性能调优
- 常见参数
- 内存碎片问题及解决方案
- GC暂停时间和应用性能的平衡
- 如何监控和调试CMS
6. CMS与其他垃圾回收器的比较
- Serial GC
- Parallel GC
- G1 GC
- ZGC和Shenandoah
7. CMS的未来
- 现代应用场景下的挑战
- CMS的替代方案
- Java 9及之后对CMS的支持
8. 结论
- 总结
- CMS的适用场景和未来方向
- 对开发者的建议
文章正文
1. 引言
在现代Java应用中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是性能优化的关键之一。它自动管理内存，避免内存泄漏和手动管理的复杂性。CMS（Concurrent Mark-Sweep）是一种低延迟的垃圾回收器，设计用于减少应用程序停顿时间。
2. CMS垃圾回收器概述
CMS是Java虚拟机（JVM）中的一种垃圾回收算法，旨在最大程度减少GC暂停时间。与其他GC相比，它在处理延迟敏感的应用中表现尤为出色。它的主要优点是能够并发地进行大部分垃圾回收工作，然而缺点也同样明显：它可能产生内存碎片，并且在处理长时间运行的应用程序时，其性能可能会退化。
3. CMS的工作机制
CMS采用的是“标记-清除”算法。其主要工作分为四个阶段：
初始标记阶段：该阶段暂停所有应用线程（STW），标记从根集合（GC roots）直接可达的对象。这一阶段通常非常短暂。
并发标记阶段：应用线程继续运行，GC线程并发地标记所有可达的对象。由于是并发的，这一阶段不需要暂停应用线程。
重新标记阶段：再一次暂停应用线程，以标记可能在并发标记阶段遗漏的对象。这个阶段的时间通常比初始标记阶段长。
并发清除阶段：清除所有不可达的对象。这一阶段也是并发进行的，不影响应用线程的执行。
4. CMS的实现细节
CMS垃圾回收器实现的复杂性在于它的并发特性。初始标记和重新标记阶段需要暂停所有应用线程，这在GC术语中称为"Stop-The-World"（STW）。这两个阶段的设计目标是尽可能短暂，以减少对应用程序的影响。而并发标记和并发清除阶段则在应用线程继续运行的情况下进行，这需要复杂的同步机制来确保标记和清除的准确性。
写屏障（Write Barrier）是CMS实现中的关键机制之一。它用来捕捉应用线程对对象引用的修改，以保证GC线程能正确地标记对象。写屏障的开销通常较小，但在高并发环境下也可能导致性能瓶颈。
5. CMS的性能调优
调优CMS涉及多个方面，如调整堆大小和分代大小，以及设置GC线程数等。参数如-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction和-XX: UseCMSInitiatingOccupancyOnly影响垃圾回收的触发时机。内存碎片是CMS的一个显著问题，常见的解决方法是配置-XX: UseCMSCompactAtFullCollection进行碎片整理。
6. CMS与其他垃圾回收器的比较
CMS主要与Parallel GC、G1 GC等进行对比。虽然CMS在低延迟场景中表现优异，但在高吞吐量场景下，Parallel GC和G1 GC可能更为适合。此外，ZGC和Shenandoah等新型GC提供了更先进的特性，如更低的停顿时间和更好的内存管理。
7. CMS的未来
随着Java 9及以后的版本中CMS的弃用，开发者需要寻找替代方案。G1 GC逐渐成为默认垃圾回收器，而ZGC和Shenandoah等新型GC也在不断成熟。对于低延迟需求高的应用，新的GC选项可能提供更好的性能和更低的维护成本。
8. 结论
CMS垃圾回收器为延迟敏感的应用提供了良好的解决方案，但其内存碎片问题和高资源消耗是其局限性。开发者应根据具体应用的需求选择合适的垃圾回收器，并考虑未来可能的迁移需求。
