#CMS 收集器原理

候选人小冯在面试美团 P6 时，面试官问道：

"CMS 收集器的执行流程是什么？"

小冯说："有初始标记、并发标记、重新标记..."面试官追问："CMS 在哪个阶段会 Stop-The-World？"

小冯答不上来。面试官继续追问："CMS 有什么缺点？"

小冯彻底卡住了...

#一、核心问题：CMS 收集器原理 🔴

#1.1 问题拆解

第一层：四个阶段（有哪些？）
  "CMS 的四个执行阶段是什么？"
  考察点：初始标记/并发标记/重新标记/并发清除

第二层：STW 阶段（什么时候停？）
  "CMS 在哪些阶段会 Stop-The-World？"
  考察点：初始标记、重新标记

第三层：缺点与废弃（有什么问题？）
  "CMS 被废弃的原因是什么？"
  考察点：内存碎片、浮动垃圾、并发失败

#1.2 ❌ 错误示范

候选人原话 A："CMS 是并发收集，整个过程都不停顿。"

问题诊断：CMS 的并发标记和并发清除阶段不停顿，但初始标记和重新标记阶段仍然需要 Stop-The-World。

候选人原话 B："CMS 没有内存碎片问题。"

问题诊断：CMS 使用标记-清除算法，会产生内存碎片。长期运行后可能触发 Serial Old 的 Full GC（最长的停顿）。

#1.3 标准回答

#P5 级别：四个阶段

CMS 的四个阶段：

graph TD
    A[初始标记 STW<br/>标记 GC Roots 直接引用的对象] --> B[并发标记<br/>用户线程运行]
    B --> C[重新标记 STW<br/>修正并发标记期间的变动]
    C --> D[并发清除<br/>用户线程运行]
    D --> A

    style A fill:#ff6b6b
    style C fill:#ff6b6b

阶段	是否 STW	耗时	工作内容
初始标记	✅ STW	短	标记 GC Roots 直接引用的对象
并发标记	❌ 并发	长	追踪引用链，标记所有可达对象
重新标记	✅ STW	较长	修正并发标记期间产生的浮动垃圾
并发清除	❌ 并发	长	清除未标记的对象

#P6 级别：CMS 的问题

CMS 的三大问题：

1. 内存碎片：标记-清除不整理，产生大量内存碎片。导致的问题：

• 分配大对象时无法找到连续空间
• 触发 Full GC（Serial Old） 进行内存整理，停顿时间可能长达数秒

2. 浮动垃圾（Floating Garbage）：

graph TD
    A[并发标记期间] --> B[对象 A 被标记为可达]
    B --> C[并发清除前]
    C --> D[对象 A 变成不可达<br/>但已标记）
    D --> E[对象 A 成为浮动垃圾<br/>下一次 GC 才能回收]

并发标记期间变成不可达的对象被称为"浮动垃圾"，必须在下一次 GC 时才能清理。

3. 并发失败（Concurrent Mode Failure）：

如果并发清除期间老年代满了（无法容纳浮动垃圾 + 新分配的对象），CMS 启动 Full GC（Serial Old）：

# 日志特征
[Full GC [CMS: CMS-initial-mark |
  concurrent-mode-failure |
  allocation-failure

降低 Concurrent Mode Failure 风险：

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 老年代使用率 70% 时开始回收
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly       # 只使用上述阈值
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5         # 5 次 Full GC 后进行一次内存整理

#P7 级别：JDK 14 废弃的工程原因

CMS 被废弃的原因：

CMS 的代码复杂度极高（10 万行级别），维护成本大：

1. 并发阶段与用户线程共享 CPU：CMS 的并发阶段消耗 CPU 资源，降低应用吞吐量

2. 浮动垃圾问题无解：无法从根本上解决，只能推迟

3. 碎片化问题：标记-清除算法无法解决碎片

JDK 的替代方案：

• JDK 9：G1 成为默认收集器
• JDK 11+：ZGC、Shenandoah 成为正式特性
• JDK 14：CMS 被标记为 deprecated

【面试官心理】 这道题我能问到 P7 级别，是因为 CMS 的废弃涉及了工程维护成本和 GC 技术演进的权衡。能说清 CMS 被废弃的工程原因的候选人说明他有技术视野。

#1.4 追问升级

追问：CMS 的重新标记需要扫描什么？

重新标记需要扫描：

1. 在并发标记期间新晋升到老年代的对象（之前在年轻代未被标记）
2. 在并发标记期间新分配的对象（分配到老年代的对象）
3. 在并发标记期间引用关系发生变化的对象

#二、生产调优 🟡

#2.1 CMS 参数配置

# 启动 CMS
-XX:+UseConcMarkSweepGC

# 关键参数
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 老年代使用率 70% 开始回收
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection    # Full GC 时整理内存
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5     # 5 次 Full GC 后整理

#2.2 常见问题

# Concurrent Mode Failure
# 原因：CMS 并发清除期间老年代满了
# 解决：调低 CMSInitiatingOccupancyFraction

# Promotion Failed
# 原因：Survivor 空间不足，对象晋升老年代失败
# 解决：增大 Survivor 区和年轻代