大厂面试真题：说一说CMS和G1

CMS垃圾回收器四个主要步骤

1. 初始标记阶段（Initial Mark Phase）

   • 目的：标记老年代中所有从GC Roots直接可达的对象。
   • 特点：此阶段会导致STW（Stop The World），即暂停应用程序的执行，但停顿时间较短。
   • 执行内容：标记GC Roots直接引用的对象，以及年轻代中存活的对象引用到的老年代对象。

2. 并发标记阶段（Concurrent Mark Phase）

   • 目的：从初始标记阶段标记的对象开始，遍历整个对象图，找出所有存活的对象。
   • 特点：此阶段与应用程序并发运行，不会暂停应用程序的执行。
   • 执行内容：遍历对象图，标记所有可达的对象。

3. 重新标记阶段（Remark Phase）

   • 目的：修正并发标记阶段中可能因引用关系变更而遗漏的存活对象。
   • 特点：此阶段也会导致STW，但停顿时间相对较短。
   • 执行内容：扫描整个堆内存（包括年轻代和老年代），确保所有存活对象都被准确标记。

4. 并发清除阶段（Concurrent Sweep Phase）

   • 目的：清除那些没有被标记的对象，回收内存空间。
   • 特点：此阶段与应用程序并发运行。
   • 执行内容：回收未标记对象的内存空间，准备下一次垃圾回收。

需要注意的是，虽然我们将CMS垃圾回收器的过程概括为四个主要步骤，但每个步骤内部可能还包含更细致的子步骤或优化机制。此外，CMS垃圾回收器也面临一些挑战，如浮动垃圾问题（即在并发清除阶段新产生的垃圾无法立即被回收）和空间碎片问题（由于标记-清除算法可能导致内存碎片）。

为了优化CMS垃圾回收器的性能，可以通过调整JVM参数来减少停顿时间、提高吞吐量或降低内存碎片。例如，可以调整-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数来控制CMS垃圾回收器触发的时机，或调整-XX:+UseCMSCompactAtFullGC参数来启用在Full GC时进行内存压缩以减少碎片。

G1垃圾回收器四个主要步骤

1. 初始标记阶段（Initial Mark Phase）

   • 目的：标记从GC Roots直接可达的对象，并修改TAMS（Top at Mark Start）指针，为并发标记阶段做准备。
   • 特点：此阶段会导致STW（Stop The World），但停顿时间非常短，通常借用Minor GC时完成。
   • 执行内容：标记GC Roots直接引用的对象，并更新TAMS指针以记录回收过程中新对象的分配。

2. 并发标记阶段（Concurrent Marking Phase）

   • 目的：从初始标记阶段标记的对象开始，递归扫描整个堆，对堆中对象进行可达性分析，找出要回收的对象。
   • 特点：此阶段与应用程序并发运行，不会暂停应用程序的执行。使用SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法处理并发标记过程中的漏标对象。
   • 执行内容：遍历对象图，标记所有可达的对象，并使用SATB算法记录并发过程中可能产生的漏标对象。

3. 最终标记阶段（Remark Phase）

   • 目的：处理并发标记阶段中遗漏的存活对象，并修正标记结果。
   • 特点：此阶段也会导致STW，但停顿时间相对较短。
   • 执行内容：扫描整个堆内存（或特定区域），确保所有存活对象都被准确标记，并修正并发标记阶段的标记结果。

4. 筛选回收阶段（Live Data Counting And Evacuation Phase）

   • 目的：制定回收计划，选择多个Region构成回收集，并回收其中的垃圾对象。
   • 特点：此阶段可能包含STW，具体取决于回收策略和回收集的大小。
   • 执行内容：对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的停顿时间制定回收计划。然后，将回收集中Region的存活对象复制到空的Region中，并清理掉整个旧Region的全部空间。此阶段可能包含Young GC和Mixed GC两种回收模式。

G1垃圾回收器的设计目标是减少停顿时间，适用于对延迟敏感的应用。它通过引入分区（Region）和分治策略，将堆内存划分为多个固定大小的Region，并独立管理这些Region的垃圾回收过程。此外，G1还使用了RSet（Remembered Set）数据结构来记录跨代引用关系，以提高GC效率。

为了优化G1垃圾回收器的性能，可以通过调整JVM参数来控制其行为。例如，可以调整-XX:MaxGCPauseMillis参数来设置期望的最大GC停顿时间，或调整-XX:G1HeapRegionSize参数来设置Region的大小。这些参数可以帮助G1更好地适应不同的应用场景和性能需求。

CMS与G1的区别

1. 工作原理：

   • CMS：主要针对老年代进行垃圾回收，采用标记-清除算法。在回收过程中，大部分工作可以与应用程序线程并发执行，以减少停顿时间。但CMS在并发标记和清除阶段会占用一部分线程资源，可能导致应用程序变慢，总吞吐量降低。
   • G1：是一个面向服务端应用的垃圾回收器，设计用于多处理器和大内存环境。它将堆内存划分为多个大小相同的区域（Region），并采用物理分区、逻辑分代的方式管理内存。G1使用标记-整理算法，在垃圾回收过程中会进行空间整合，避免内存碎片的产生。G1可以与应用程序线程并发执行垃圾回收，同时支持多个处理器并行处理垃圾回收任务，以提高效率。

2. 停顿时间控制：

   • CMS：虽然旨在减少停顿时间，但无法设置具体的目标停顿时间，其停顿时间相对不可控，主要取决于堆内存的大小、垃圾对象的数量以及垃圾回收的并发程度等因素。
   • G1：通过设定-XX:MaxGCPauseMillis参数，可以更加精确地控制垃圾回收的停顿时间，以满足应用程序对响应时间的严格要求。G1使用了一个停顿预测模型，根据用户定义的停顿时间目标来选择一定数量的区域进行回收，从而尽量在指定的时间内完成垃圾回收。

3. 内存碎片：

   • CMS：由于采用标记-清除算法，可能会产生较多的内存碎片。内存碎片不仅会降低内存分配的效率，还可能导致大对象分配失败，进而引发Full GC。
   • G1：采用复制-整理算法（新生代垃圾回收采用标记-赋值算法，老年代垃圾回收采用了标记-整理算法），在压缩空间方面有优势，可以有效避免内存碎片的产生。每次垃圾回收时，G1都会将对象从一个或多个区域复制到单个区域，并在复制过程中进行压缩，从而腾出连续的内存空间。

4. 浮动垃圾：

   • CMS：在并发清除阶段，垃圾回收线程和用户线程同时工作会产生浮动垃圾。CMS必须预留一部分内存空间用于存放浮动垃圾，如果预留给用户线程的内存不足，就会出现“ConcurrentMode Failure”，此时会切换到SerialOld收集方式，导致效率低下。
   • G1：没有浮动垃圾的问题。G1的筛选回收是多个垃圾回收线程并行执行的，没有并发清除阶段，因此不会产生浮动垃圾。

适用场景

1. CMS：

   • 适用于对CPU资源敏感且对停顿时间要求较高的应用，如实时交易系统、在线游戏等。在这些场景中，CMS能够减少垃圾回收对应用程序性能的影响，同时保持较低的停顿时间。

2. G1：

   • 适用于需要处理大堆内存、对吞吐量有较高要求且对停顿时间有一定容忍度的应用，如企业级服务器、大数据处理平台等。G1能够充分利用多核处理器和大内存资源，提高垃圾回收的效率和性能。同时，G1还能够提供可预测的停顿时间，以满足应用程序对响应时间的严格要求。

综上所述，CMS和G1各有优劣，在选择垃圾回收器时，应根据具体的应用场景和性能需求进行权衡和选择。