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：

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
15578.050
ParNew
3412467K->59681K
3774912K
0.0971990 secs
9702786K->6354533K
24746432K
0.0974940 secs

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：

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]
2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.333: [CMS-concurrent-mark: 0.138/0.138 secs] [Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-preclean: 0.056/0.057 secs] [Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
2018-04-12T13:48:29.989+0800: 15581.905: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 3.506/3.514 secs] [Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]
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]
2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start]
2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.553: [GC2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.554: [ParNew: 3403915K->52142K(3774912K), 0.0874610 secs] 4836483K->1489601K(24746432K), 0.0877490 secs] [Times: user=0.84 sys=0.00, real=0.09 secs]
2018-04-12T13:48:38.412+0800: 15590.327: [CMS-concurrent-sweep: 8.193/8.284 secs] [Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]
2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start]
2018-04-12T13:48:38.462+0800: 15590.377: [CMS-concurrent-reset: 0.044/0.044 secs] [Times: user=0.15 sys=0.10, 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：

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
CMS-initial-mark
6294851K
(20971520K)
6354687K
(24746432K)
0.0466580 secs
[Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.04 secs]

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：

2018-04-12T13:48:26.280+0800: 15578.195: [CMS-concurrent-mark-start]
2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.333: [CMS-concurrent-mark: 0.138/0.138 secs] [Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]

这里详细对上面的日志解释，如下所示：

CMS-concurrent-mark
0.138/0.138 secs
[Times: user=1.01 sys=0.21, real=0.14 secs]

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：

2018-04-12T13:48:26.418+0800: 15578.334: [CMS-concurrent-preclean-start]
2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-preclean: 0.056/0.057 secs] [Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]

其含义为：

CMS-concurrent-preclean
0.056/0.057 secs
[Times: user=0.20 sys=0.12, real=0.06 secs]

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：

2018-04-12T13:48:26.476+0800: 15578.391: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
2018-04-12T13:48:29.989+0800: 15581.905: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 3.506/3.514 secs] [Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]

CMS-concurrent-abortable-preclean
3.506/3.514 secs
[Times: user=11.93 sys=6.77, real=3.51 secs]

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：

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)
ParNew:...
[Rescan (parallel) , 0.0429390 secs]
[weak refs processing, 0.0027800 secs]
[class unloading, 0.0033120 secs]
[scrub symbol table, 0.0016780 secs] ... [scrub string table, 0.0004780 secs]
6299829K(20971520K)
6348225K(24746432K)
0.1365130 secs
[Times: user=1.24 sys=0.00, real=0.14 secs]

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）：

2018-04-12T13:48:30.128+0800: 15582.043: [CMS-concurrent-sweep-start]
2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.553: [GC2018-04-12T13:48:36.638+0800: 15588.554: [ParNew: 3403915K->52142K(3774912K), 0.0874610 secs] 4836483K->1489601K(24746432K), 0.0877490 secs] [Times: user=0.84 sys=0.00, real=0.09 secs]
2018-04-12T13:48:38.412+0800: 15590.327: [CMS-concurrent-sweep: 8.193/8.284 secs] [Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]

分别介绍一下：

CMS-concurrent-sweep
8.193/8.284 secs
[Times: user=30.34 sys=16.44, real=8.28 secs]

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：

2018-04-12T13:48:38.419+0800: 15590.334: [CMS-concurrent-reset-start]
2018-04-12T13:48:38.462+0800: 15590.377: [CMS-concurrent-reset: 0.044/0.044 secs] [Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

日志详情分别如下：

CMS-concurrent-reset
0.044/0.044 secs
[Times: user=0.15 sys=0.10, real=0.04 secs]

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：

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

CMS 的一些缺陷也是 G1 收集器兴起的原因。

参考：

• JVM各类GC日志剖析 ；
• GC之详解CMS收集过程和日志分析 ；
• Getting Started with the G1 Garbage Collector ；
• JVM实用参数（七）CMS收集器 ；
• GC Algorithms：Implementations —— Concurrent Mark and Sweep —— Full GC ；