JVM 之 ParNew 和 CMS 日志分析
在两年前的文章 JVM 学习——垃圾收集器与内存分配策略 中，已经对 GC 算法的原理以及常用的垃圾收集器做了相应的总结。今天这篇文章主要是对生产环境中（Java7）常用的两种垃圾收集器（ParNew：年轻代，CMS：老年代）从日志信息上进行分析，做一下总结，这样当我们在排查相应的问题时，看到 GC 的日志信息，不会再那么陌生，能清楚地知道这些日志是什么意思，GC 线程当前处在哪个阶段，正在做什么事情等。
ParNew 收集器
ParNew 收集器是年轻代常用的垃圾收集器，它采用的是复制算法，youngGC 时一个典型的日志信息如下所示：
1 | 2018-04-12T13:48:26.134+0800: 15578.050: [GC2018-04-12T13:48:26.135+0800: 15578.050: [ParNew: 3412467K->59681K(3774912K), 0.0971990 secs] 9702786K->6354533K(24746432K), 0.0974940 secs] [Times: user=0.95 sys=0.00, real=0.09 secs] |
依次分析一下上面日志信息的含义：
2018-04-12T13:48:26.134+0800：Mirror GC 发生的时间；15578.050：GC 开始时，相对 JVM 启动的相对时间，单位时秒，这里是4h+；ParNew：收集器名称，这里是 ParNew 收集器，它使用的是并行的 mark-copy 算法，GC 过程也会 Stop the World；3412467K->59681K：收集前后年轻代的使用情况，这里是 3.25G->58.28M；3774912K：整个年轻代的容量，这里是 3.6G；0.0971990 secs：Duration for the collection w/o final cleanup.9702786K->6354533K：收集前后整个堆的使用情况，这里是 9.25G->6.06G;24746432K：整个堆的容量，这里是 23.6G；0.0974940 secs：ParNew 收集器标记和复制年轻代活着的对象所花费的时间（包括和老年代通信的开销、对象晋升到老年代开销、垃圾收集周期结束一些最后的清理对象等的花销）；
对于 [Times: user=0.95 sys=0.00, real=0.09 secs]，这里面涉及到三种时间类型，含义如下：
- user：GC 线程在垃圾收集期间所使用的 CPU 总时间；
- sys：系统调用或者等待系统事件花费的时间；
- real：应用被暂停的时钟时间，由于 GC 线程是多线程的，导致了 real 小于 (user+real)，如果是 gc 线程是单线程的话，real 是接近于 (user+real) 时间。
CMS 收集器
CMS 收集器是老年代经常使用的收集器，它采用的是标记-清楚算法，应用程序在发生一次 Full GC 时，典型的 GC 日志信息如下：
1 | 2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148: [GC [1 CMS-initial-mark: 6294851K(20971520K)] 6354687K(24746432K), 0.0466580 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs] |
CMS Full GC 拆分开来，涉及的阶段比较多，下面分别来介绍各个阶段的情况。
阶段1：Initial Mark
这个是 CMS 两次 stop-the-wolrd 事件的其中一次，这个阶段的目标是：标记那些直接被 GC root 引用或者被年轻代存活对象所引用的所有对象，标记后示例如下所示（插图来自：GC Algorithms：Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC）：
上述例子对应的日志信息为：
1 | 2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148: [GC [1 CMS-initial-mark: 6294851K(20971520K)] 6354687K(24746432K), 0.0466580 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs] |
逐行介绍上面日志的含义：
2018-04-12T13:48:26.233+0800: 15578.148：GC 开始的时间，以及相对于 JVM 启动的相对时间（单位是秒，这里大概是4.33h），与前面 ParNew 类似，下面的分析中就直接跳过这个了；CMS-initial-mark：初始标记阶段，它会收集所有 GC Roots 以及其直接引用的对象；6294851K：当前老年代使用的容量，这里是 6G；(20971520K)：老年代可用的最大容量，这里是 20G；6354687K：整个堆目前使用的容量，这里是 6.06G；(24746432K)：堆可用的容量，这里是 23.6G；0.0466580 secs：这个阶段的持续时间；[Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]：与前面的类似，这里是相应 user、system and real 的时间统计。
阶段2：并发标记
在这个阶段 Garbage Collector 会遍历老年代，然后标记所有存活的对象，它会根据上个阶段找到的 GC Roots 遍历查找。并发标记阶段，它会与用户的应用程序并发运行。并不是老年代所有的存活对象都会被标记，因为在标记期间用户的程序可能会改变一些引用，如下图所示（插图来自：GC Algorithms：Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC）：
在上面的图中，与阶段1的图进行对比，就会发现有一个对象的引用已经发生了变化，这个阶段相应的日志信息如下：
1 | 2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start] |
这里详细对上面的日志解释，如下所示：
CMS-concurrent-mark：并发收集阶段，这个阶段会遍历老年代，并标记所有存活的对象；0.138/0.138 secs：这个阶段的持续时间与时钟时间；[Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]：如前面所示，但是这部的时间，其实意义不大，因为它是从并发标记的开始时间开始计算，这期间因为是并发进行，不仅仅包含 GC 线程的工作。
阶段3：Concurrent Preclean
Concurrent Preclean：这也是一个并发阶段，与应用的线程并发运行，并不会 stop 应用的线程。在并发运行的过程中，一些对象的引用可能会发生变化，但是这种情况发生时，JVM 会将包含这个对象的区域（Card）标记为 Dirty，这也就是 Card Marking。如下图所示（插图来自：GC Algorithms：Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC：
在pre-clean阶段，那些能够从 Dirty 对象到达的对象也会被标记，这个标记做完之后，dirty card 标记就会被清除了，如下（插图来自：GC Algorithms：Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC：
这个阶段相应的日志信息如下：
1 | 2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start] |
其含义为：
CMS-concurrent-preclean：Concurrent Preclean 阶段，对在前面并发标记阶段中引用发生变化的对象进行标记；0.056/0.057 secs：这个阶段的持续时间与时钟时间；[Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]：同并发标记阶段中的含义。
阶段4：Concurrent Abortable Preclean
这也是一个并发阶段，但是同样不会影响影响用户的应用线程，这个阶段是为了尽量承担 STW（stop-the-world）中最终标记阶段的工作。这个阶段持续时间依赖于很多的因素，由于这个阶段是在重复做很多相同的工作，直接满足一些条件（比如：重复迭代的次数、完成的工作量或者时钟时间等）。这个阶段的日志信息如下：
1 | 2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start] |
CMS-concurrent-abortable-preclean：Concurrent Abortable Preclean 阶段；3.506/3.514 secs：这个阶段的持续时间与时钟时间，本质上，这里的 gc 线程会在 STW 之前做更多的工作，通常会持续 5s 左右；[Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]：同前面。
阶段5：Final Remark
这是第二个 STW 阶段，也是 CMS 中的最后一个，这个阶段的目标是标记所有老年代所有的存活对象，由于之前的阶段是并发执行的，gc 线程可能跟不上应用程序的变化，为了完成标记老年代所有存活对象的目标，STW 就非常有必要了。
通常 CMS 的 Final Remark 阶段会在年轻代尽可能干净的时候运行，目的是为了减少连续 STW 发生的可能性（年轻代存活对象过多的话，也会导致老年代涉及的存活对象会很多）。这个阶段会比前面的几个阶段更复杂一些，相关日志如下：
1 | 2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC[YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)]2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [GC2018-04-12T13:48:29.991+0800: 15581.906: [ParNew: 1805641K->48395K(3774912K), 0.0826620 secs] 8100493K->6348225K(24746432K), 0.0829480 secs] [Times: user=0.81 sys=0.00, real=0.09 secs]2018-04-12T13:48:30.074+0800: 15581.989: [Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]2018-04-12T13:48:30.117+0800: 15582.032: [weak refs processing, 0.0027800 secs]2018-04-12T13:48:30.119+0800: 15582.035: [class unloading, 0.0033120 secs]2018-04-12T13:48:30.123+0800: 15582.038: [scrub symbol table, 0.0016780 secs]2018-04-12T13:48:30.124+0800: 15582.040: [scrub string table, 0.0004780 secs] [1 CMS-remark: 6299829K(20971520K)] 6348225K(24746432K), 0.1365130 secs] [Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs] |
对上面的日志进行分析：
YG occupancy: 1805641 K (3774912 K)：年轻代当前占用量及容量，这里分别是 1.71G 和 3.6G；ParNew:...：触发了一次 young GC，这里触发的原因是为了减少年轻代的存活对象，尽量使年轻代更干净一些；[Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]：这个 Rescan 是当应用暂停的情况下完成对所有存活对象的标记，这个阶段是并行处理的，这里花费了 0.0429390s；[weak refs processing, 0.0027800 secs]：第一个子阶段，它的工作是处理弱引用；[class unloading, 0.0033120 secs]：第二个子阶段，它的工作是：unloading the unused classes；[scrub symbol table, 0.0016780 secs] ... [scrub string table, 0.0004780 secs]：最后一个子阶段，它的目的是：cleaning up symbol and string tables which hold class-level metadata and internalized string respectively，时钟的暂停也包含在这里；6299829K(20971520K)：这个阶段之后，老年代的使用量与总量，这里分别是 6G 和 20G；6348225K(24746432K)：这个阶段之后，堆的使用量与总量（包括年轻代，年轻代在前面发生过 GC），这里分别是 6.05G 和 23.6G；0.1365130 secs：这个阶段的持续时间；[Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]：对应的时间信息。
经历过这五个阶段之后，老年代所有存活的对象都被标记过了，现在可以通过清除算法去清理那些老年代不再使用的对象。
阶段6：Concurrent Sweep
这里不需要 STW，它是与用户的应用程序并发运行，这个阶段是：清除那些不再使用的对象，回收它们的占用空间为将来使用。如下图所示（插图来自：GC Algorithms：Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC：
）：
这个阶段对应的日志信息如下（这中间又发生了一次 Young GC）：
1 | 2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start] |
分别介绍一下：
CMS-concurrent-sweep：这个阶段主要是清除那些没有被标记的对象，回收它们的占用空间；8.193/8.284 secs：这个阶段的持续时间与时钟时间；[Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]：同前面；
阶段7：Concurrent Reset.
这个阶段也是并发执行的，它会重设 CMS 内部的数据结构，为下次的 GC 做准备，对应的日志信息如下：
1 | 2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start] |
日志详情分别如下：
CMS-concurrent-reset：这个阶段的开始，目的如前面所述；0.044/0.044 secs：这个阶段的持续时间与时钟时间；[Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]：同前面。
总结
CMS 通过将大量工作分散到并发处理阶段来在减少 STW 时间，在这块做得非常优秀，但是 CMS 也有一些其他的问题：
- CMS 收集器无法处理浮动垃圾（ Floating Garbage），可能出现 “Concurrnet Mode Failure” 失败而导致另一次 Full GC 的产生，可能引发串行 Full GC；
- 空间碎片，导致无法分配大对象，CMS 收集器提供了一个
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数（默认就是开启的），用于在 CMS 收集器顶不住要进行 Full GC 时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长； - 对于堆比较大的应用上，GC 的时间难以预估。
CMS 的一些缺陷也是 G1 收集器兴起的原因。
参考：
