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JVM 源码解读之 CMS GC 触发条件

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前言

经常有同学会问,为啥我的应用 Old Gen 的使用占比没达到 CMSInitiatingOccupancyFraction 参数配置的阈值,就触发了 CMS GC,表示很莫名奇妙,不知道问题出在哪?

其实 CMS GC 的触发条件非常多,不只是 CMSInitiatingOccupancyFraction 阈值触发这么简单。本文通过源码全面梳理了触发 CMS GC 的条件,尽可能的帮你了解平时遇到的奇奇怪怪的 CMS GC 问题。

先抛出一些问题,来吸引你的注意力。

为什么 Old Gen 使用占比仅 50% 就进行了一次 CMS GC? Metaspace 的使用也会触发 CMS GC 吗? 为什么 Old Gen 使用占比非常小就进行了一次 CMS GC?

触发条件

CMS GC 在实现上分成 foreground collector 和 background collector。foreground collector 相对比较简单,background collector 比较复杂,情况比较多。

下面我们从 foreground collector 和 background collector 分别来说明他们的触发条件:

说明:本文内容是基于 JDK 8 说明:本文仅涉及 CMS GC 的触发条件,至于算法的具体过程,以及什么时候进行 MSC(mark sweep compact)不在本文范围

foreground collector

foreground collector 触发条件比较简单,一般是遇到对象分配但空间不够,就会直接触发 GC,来立即进行空间回收。采用的算法是 mark sweep,不压缩。

background collector

说明 background collector 的触发条件之前,先来说下 background collector 的流程,它是通过 CMS 后台线程不断的去扫描,过程中主要是判断是否符合 background collector 的触发条件,一旦有符合的情况,就会进行一次 background 的 collect。

每次扫描过程中,先等 CMSWaitDuration 时间,然后再去进行一次 shouldConcurrentCollect 判断,看是否满足 CMS background collector 的触发条件。CMSWaitDuration 默认时间是 2s( 经常会有业务遇到频繁的 CMS GC,注意看每次 CMS GC 之间的时间间隔,如果是 2s,那基本就可以断定是 CMS 的 background collector )。

那 shouldConcurrentCollect() 方法中都有哪些条件呢?

上述代码可知,从大类上分, background collector 一共有 5 种触发情况

1.是否是并行 Full GC

指的是在 GC cause 是 gc locker 且配置了 GCLockerInvokesConcurrent 参数 , 或者 GC cause 是 java lang system gc(就是 System.gc()调用)and 且配置了 ExplicitGCInvokesConcurrent 参数 ,这时会触发一次 background collector。

2.根据统计数据动态计算 (仅未配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 时) 未配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 时,会根据统计数据动态判断是否需要进行一次 CMS GC。

判断逻辑是,如果预测 CMS GC 完成所需要的时间大于预计的老年代将要填满的时间,则进行 GC 。 这些判断是需要基于历史的 CMS GC 统计指标,然而,第一次 CMS GC 时,统计数据还没有形成,是无效的,这时会跟据 Old Gen 的使用占比来判断是否要进行 GC。

那占多少比率,开始回收呢?(也就是 bootstrap occupancy 的值是多少呢?) 答案是 50%。 或许你已经遇到过类似案例,在没有配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 时,发现老年代占比到 50% 就进行了一次 CMS GC,当时的你或许还一头雾水呢。

3.根据 Old Gen 情况判断

从源码上看,这里主要分成两类: (a) Old Gen 空间使用占比情况与阈值比较,如果大于阈值则进行 CMS GC 也就是"occupancy() > initiating occupancy()",occupancy 毫无疑问是 Old Gen 当前空间的使用占比,而 initiating occupancy 是多少呢?

可以看到当 CMSInitiatingOccupancyFraction 参数配置值大于 0,就是 “io / 100.0”;

当 CMSInitiatingOccupancyFraction 参数配置值小于 0 时(注意,默认是 -1),是 “((100 - MinHeapFreeRatio) + (double)(tr * MinHeapFreeRatio) / 100.0) / 100.0”,这到底是多少呢? 是 92%,这里就不贴出具体的计算过程了,或许你已经在某些书或者博客中了解过,CMSInitiatingOccupancyFraction 没有配置,就是 92,但是其实 CMSInitiatingOccupancyFraction 没有配置是 -1,所以阈值取后者 92%,并不是 CMSInitiatingOccupancyFraction 的值是 92

(b) 接下来没有配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 的情况

这里也分成有两小类情况:

  • 当 Old Gen 刚因为对象分配空间而进行扩容,且成功分配空间,这时会考虑进行一次 CMS GC;

  • 根据 CMS Gen 空闲链判断,这里有点复杂,目前也没整清楚,好在按照默认配置其实这里返回的是 false,所以默认是不用考虑这种触发条件了。

4.根据增量 GC 是否可能会失败(悲观策略)

什么意思呢? 两代的 GC 体系中,主要指的是 Young GC 是否会失败。如果 Young GC 已经失败或者可能会失败,JVM 就认为需要进行一次 CMS GC

我们看两个判断条件,“incremental collection failed()” 和 “!get gen(0)->collection attempt is safe()” incremental collection failed() 这里指的是 Young GC 已经失败,至于为什么会失败一般是因为 Old Gen 没有足够的空间来容纳晋升的对象。

!get gen(0)->collection attempt is safe() 指的是新生代晋升是否安全。 通过判断当前 Old Gen 剩余的空间大小是否足够容纳 Young GC 晋升的对象大小。 Young GC 到底要晋升多少是无法提前知道的,因此,这里通过统计平均每次 Young GC 晋升的大小和当前 Young GC 可能晋升的最大大小来进行比较。

5.根据 meta space 情况判断

这里主要看 metaspace 的 should concurrent_collect 标志,这个标志在 meta space 进行扩容前如果配置了 CMSClassUnloadingEnabled 参数时,会进行设置。 这种情况下就会进行一次 CMS GC。因此经常会有应用启动不久,Old Gen 空间占比还很小的情况下,进行了一次 CMS GC,让你很莫名其妙,其实就是这个原因导致的。

总结

本文梳理了 CMS GC 的 foreground collector 和 background collector 的触发条件,foreground collector 的触发条件相对来说比较简单,而 background collector 的触发条件比较多,分成 5 大种情况,各大种情况种还有一些小的触发分支。尤其是在没有配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 参数的情况下,会多出很多种触发可能,一般在生产环境是强烈建议配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 参数,以便于能够比较确定的执行 CMS GC,另外,也方便排查 GC 原因。

原文  http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUyMDE1ODQ3NQ==&mid=2247483851&idx=1&sn=8cb444039449848531b7ca72c396e07e
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