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CMS垃圾收集器深度解析：并发低停顿的GC神器

news 2026/6/2 0:24:04

你是否遇到过Java应用因Full GC导致服务卡顿几秒钟，甚至上10秒？在JVM调优的道路上，CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾收集器曾是无数Java工程师的首选方案。本文将深入剖析CMS的工作原理、核心参数与实战配置，助你掌握这一"低停顿神器"的精髓。

📋 文章目录

  • 一、CMS概述：为什么选择它？
  • 二、CMS回收流程深度解析
  • 三、CMS的两种模式：Background vs Foreground
  • 四、核心机制：记忆集、卡表与三色标记
  • 五、CMS常用参数全解
  • 六、CMS线程数计算公式
  • 七、生产环境推荐配置
  • 八、总结与建议

一、CMS概述：为什么选择它？

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。它采用的是经典的**“标记-清除算法”**，在JDK 8及之前版本中被广泛使用。

CMS的核心优势

特性说明
并发收集收集器线程与用户线程同时工作，减少停顿
低停顿目标是将停顿时间控制在毫秒级别

CMS的主要缺点

  • 产生大量空间碎片：标记-清除算法的固有问题
  • 并发阶段降低吞吐量：GC线程占用CPU资源

二、CMS回收流程深度解析

CMS的回收过程分为4个核心阶段：

1. 初始标记（CMS initial mark）

# 标记GC Roots直接关联对象，不用Tracing，速度很快# JDK7：单线程 JDK8+：默认并行（可通过-XX:+CMSParallelInitialMarkEnabled控制）

2. 并发标记（CMS concurrent mark）

# 进行GC Roots Tracing# 与用户线程并发执行，不停止应用

3. 重新标记（CMS remark）

# 修改并发标记期间因用户程序变动的内容# 需要短暂的STW（Stop The World）

4. 并发清除（CMS concurrent sweep）

# 清除不可达对象回收空间# 同时有新垃圾产生，留着下次清理（称为浮动垃圾）

由于整个过程中，并发标记和并发清除阶段收集器线程可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

三、CMS的两种模式：Background vs Foreground

Background CMS（正常并发模式）

细化的完整流程实际上包含6个阶段：

(1) 初始标记 (2) 并发标记 (3) 并发预处理 (4) 可中止的预处理 (5) 重新标记 (6) 并发清除
为什么需要预处理和可中止预处理？

核心问题：当老年代被回收时，如何判断年轻代对象引用的老年代对象是可达的？

答案是：必须扫描新生代来确定。但全量扫描新生代会很慢，这与CMS"最短停顿时间"的设计理念冲突。

解决方案：

  • 先进行一次Young GC，回收新生代
  • 新生代对象变少后，再进行GC Roots扫描
关键参数解读
参数默认值说明
CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold2MEden空间使用超过此值启动可中断预处理
CMSScheduleRemarkEdenPenetration50%Eden空间使用率达到此值时中断预处理
CMSMaxAbortablePrecleanTime5s可中止预处理的最大等待时间
CMSScavengeBeforeRemarkfalseremark前强制进行一次Minor GC

Foreground CMS（并发失败模式）

当并发搜集器不能在老年代填满之前完成不可达对象的回收，或者老年代中有效的空闲内存空间不能满足某个内存分配请求时，会发生并发模式失败（Concurrent Mode Failure）。

此时：

  • 应用被暂停（Full STW）
  • 开始单线程全局Full GC
  • 这是ParNew+CMS组合最糟糕的情况
触发条件与避免方法
# 控制老年代达到多少百分比时触发CMS回收-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly# 必须使用此参数，上面的参数才生效

默认触发公式：

((100 - MinHeapFreeRatio) + (double)(CMSTriggerRatio * MinHeapFreeRatio) / 100.0) / 100.0

按默认值计算，当老年代达到92%时会触发CMS回收。

四、核心机制：记忆集、卡表与三色标记

记忆集（Remembered Set）

进行Young GC时，除了常见的栈引用、静态变量、常量、锁对象、class对象等GC Roots外，如果老年代有对象引用了新生代对象，这些老年代对象也应该加入GC Roots范围。

问题：每次Young GC都扫描整个老年代代价太大。

解决方案：引入记忆集——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。

卡表（Card Table）

卡表是记忆集思想的具体实现。在HotSpot虚拟机中：

卡表是一个字节数组：CARD_TABLE[] 每个元素对应一块512字节（2^9）的内存区域，称为"卡页"

工作原理：

  • 只要卡页中有一个对象的字段存在跨代指针，对应卡表元素被置为1（变脏）
  • GC时，筛选本收集区卡表中变脏的元素加入GC Roots

卡表的其他作用：

  • 区分引用新生代和并发标记阶段修改过的对象
  • 每个byte有8位，约定每位含义即可区分不同场景

三色标记算法

在并发标记过程中，对象按"是否访问过"标记为三种颜色：

颜色定义状态
黑色对象已被访问，且所有引用都已扫描安全存活
灰色对象已被访问，但至少有一个引用未扫描待处理
白色对象尚未被访问可能可回收

标记过程：

  1. 初始时，所有对象在白色集合
  2. GC Roots直接引用对象挪到灰色集合
  3. 从灰色集合取对象，将其引用对象挪到灰色，自身挪到黑色
  4. 重复步骤3，直至灰色集合为空
  5. 白色集合中的对象即为不可达，可回收
多标-浮动垃圾

并发标记过程中，如果部分局部变量（GC Root）被销毁，之前被标记为非垃圾的对象本轮GC不会回收。这部分应该回收但未回收的内存称为**“浮动垃圾”**。

浮动垃圾不会影响GC正确性，只是需要等到下一轮才被清除。

漏标-读写屏障

漏标需同时满足两个条件：

  1. 灰色对象断开了白色对象的引用
  2. 黑色对象重新引用了该白色对象

解决方案：

  • 增量更新（Incremental Update）：黑色对象插入新指向白色对象的引用时，记录该引用，并发扫描结束后重新扫描
  • 原始快照（SATB）：灰色对象删除指向白色对象的引用时，记录该引用，扫描结束后重新扫描

无论插入还是删除，虚拟机的记录操作都通过写屏障实现。

CMS标记压缩算法（MSC）

由于CMS使用标记-清除算法会产生内存碎片，JVM提供了压缩机制：

# 在Full GC后进行碎片整理-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection# 执行多少次Full GC后进行压缩整理（默认0，即每次都压缩）-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0

五、CMS常用参数全解

核心启用参数

# 打开CMS GC收集器（JDK8之前默认Parallel GC，JDK9+默认G1）-XX:+UseConcMarkSweepGC# 年轻代使用多线程并行回收（UseConcMarkSweepGC开启后默认开启）-XX:+UseParNewGC

并发控制参数

# 采用并行标记方式降低停顿（默认开启）-XX:+CMSParallelRemarkEnabled# 并发CMS阶段以多线程执行（默认开启）-XX:+CMSConcurrentMTEnabled# 定义并发CMS过程运行时的线程数-XX:ConcGCThreads=n# 定义CMS过程并行收集的线程数-XX:ParallelGCThreads=m

触发条件参数

# 老年代使用率达到多少时触发CMS（默认68）-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70# 必须开启此参数，上面的参数才生效-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly# CMS默认不对永久代回收，开启此参数可对永久代回收-XX:+CMSClassUnloadingEnabled# 开启增量模式（回收过程更长，但暂停时间更短）-XX:+CMSIncrementalMode

优化参数

# 设置执行多少次Full GC后进行压缩整理（默认0）-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5# remark前做一次Young GC，减少GC Roots扫描对象数-XX:+CMSScavengeBeforeRemark# 系统GC调用时执行CMS GC，而不是Full GC-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent# 系统GC调用时永久代也被包括进CMS回收范围-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses# 完全忽略系统的GC调用-XX:+DisableExplicitGC# 对类对象数据进行压缩处理（默认开启）-XX:+UseCompressedOops# 设置GC暂停等待时间（毫秒）-XX:MaxGCPauseMillis=200

GC日志参数

-XX:+PrintGCTimeStamps-XX:+PrintGCDetails-XX:+PrintGCDateStamps

六、CMS线程数计算公式

ParallelGCThreads（STW暂停时使用）

CPU核心数 <= 8：ParallelGCThreads = CPU核心数 CPU核心数 > 8：ParallelGCThreads = CPU核心数 * 5/8 + 3（向下取整） 示例： - 4C8G → 4 - 8C16G → 8 - 16核 → 13 - 32核 → 23 - 64核 → 43 - 72核 → 48

ConcGCThreads（GC与业务线程并发时使用）

ConcGCThreads = (ParallelGCThreads + 3) / 4（向下取整） 示例： - ParallelGCThreads = 1~4 → ConcGCThreads = 1 - ParallelGCThreads = 5~8 → ConcGCThreads = 2 - ParallelGCThreads = 13~16 → ConcGCThreads = 4

七、生产环境推荐配置

配置一：8C16G服务器

-Xmx12g-Xms12g-XX:ParallelGCThreads=8-XX:ConcGCThreads=2-XX:+UseConcMarkSweepGC-XX:+CMSClassUnloadingEnabled-XX:+CMSIncrementalMode-XX:+CMSScavengeBeforeRemark-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5-XX:MaxGCPauseMillis=100-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses-XX:+PrintGCTimeStamps-XX:+PrintGCDetails-XX:+PrintGCDateStamps

配置二：4C8G服务器

-Xmx6g-Xms6g-XX:ParallelGCThreads=4-XX:ConcGCThreads=1-XX:+UseConcMarkSweepGC-XX:+CMSClassUnloadingEnabled-XX:+CMSIncrementalMode-XX:+CMSScavengeBeforeRemark-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5-XX:MaxGCPauseMillis=100-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses-XX:+PrintGCTimeStamps-XX:+PrintGCDetails-XX:+PrintGCDateStamps

配置三：2C4G服务器（不推荐，仅供参考）

-Xmx3g-Xms3g-XX:ParallelGCThreads=2-XX:ConcGCThreads=1-XX:+UseConcMarkSweepGC-XX:+CMSClassUnloadingEnabled-XX:+CMSIncrementalMode-XX:+CMSScavengeBeforeRemark-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5-XX:MaxGCPauseMillis=100-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses-XX:+PrintGCTimeStamps-XX:+PrintGCDetails-XX:+PrintGCDateStamps

注意：2C4G环境下，由于线程上下文切换开销较大，CMS性能可能不如默认配置，建议谨慎使用或考虑升级配置。

八、总结与建议

CMS核心要点回顾

  1. 设计理念：以最短回收停顿时间为目标，适合对响应时间敏感的应用
  2. 核心算法：标记-清除，会产生内存碎片
  3. 并发能力：并发标记和并发清除阶段与应用线程并行执行
  4. 风险点：并发模式失败会导致单线程Full GC，停顿时间剧增

使用建议

场景建议
适用对延迟敏感、内存充裕、对象生命周期差异大的应用
不适用内存紧张、CPU资源受限、大内存堆（建议8C16G以下使用）
调优重点控制触发阈值、避免并发失败、合理设置压缩频率

版本建议

  • JDK 8及之前：CMS是低延迟场景的首选
  • JDK 9+：默认使用G1，CMS被标记为Deprecated
  • JDK 14+：CMS已被移除，建议迁移到G1或ZGC

关键词：CMS垃圾收集器, JVM调优, 并发标记清除, GC参数配置, Java性能优化, ParNew CMS, 三色标记, 卡表机制, 低停顿GC

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http://www.jsqmd.com/news/932425/

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