什么是CMS
CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，
使用场景
GC过程短暂停，适合对时延要求较高的服务，用户线程不允许长时间的停顿。
实现机制
1、不压缩老年代，而是使用空闲列表来管理回收空间。
2、大部分标记清理工作与应用程序并发执行。
存在问题：
1.对CPU资源敏感
其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程（或者说CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/4，也就是当CPU在4个以上时，并发回收时垃圾收集线程不少于25%的CPU资源，随着CPU数量的增加而下降。
2.无法处理浮动垃圾
CMS并发清理时，用户程序的运行也会产生新的垃圾（一边打扫房间，一遍丢新的垃圾），但是这部分垃圾产生于标记过程之后，因此只好留在下次GC时清理，这种垃圾被称为浮动垃圾（Floating Garbage）。
3.Concurrent Mode Failure
由于CMS并发清理阶段，用户程序还在运行，也需要内存空间，因此CMS收集器不能像其他老年代收集器那样，等到老年代空间快满了再执行垃圾收集，而是要预留一部分内存给用户程序使用。CMS的做法是老年代空间占用率达到某个阈值时触发垃圾收集，有一个参数来控制触发百分比： -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80 （这里配置的是80%）。
如果预留的老年代空间不够应用程序的使用，就会出现Concurrent Mode Failure，此时会触发一次FullGC，使用Serial Old收集器重新对老年代进行垃圾回收，会发生stop-the-world，耗时相当感人（实际工作中遇到的大部分FGC估计都是这种情况）。Concurrent Mode Failure一般会伴随ParNew promotion failed，晋升担保失败。所谓晋升担保，就是为了应对新生代GC后存活对象过多，Survivor区无法容纳的情况，需要老年代有足够的空间容纳这些对象，如果老年代没有足够的空间，就会产生担保失败。
为了避免Concurrent Mode Failure，可以采取的做法是：
1.调大老年代空间；
2.调低CMSInitiatingOccupancyFraction的值，但这样会造成更频繁的CMS GC；
3.代码层面优化，控制对象创建频率。
4.空间碎片
这是「标记-清理」算法的通病，空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次Full GC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数（默认就是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长。虚拟机设计者还提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCom-paction，这个参数是用于设置执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的（默认值为0，表示每次进入FullGC时都进行碎片整理）。
CMS收集器的GC周期
主要由7个阶段组成，其中有两个阶段会发生stop-the-world，其他阶段都是并发执行的。
Phase 1: Initial Mark（初始化标记）
初始化标记阶段，是CMS GC的第一个阶段，也是标记阶段的开始。主要工作是标记可直达的存活对象。
主要标记过程
- 从GC Roots遍历可直达的老年代对象
- 遍历被新生代存活对象所引用的老年代对象
程序执行情况
- 支持单线程或并行标记。
- 发生stop-the-world，暂停所有应用线程。
（Marked obj：老年代绿色圆点表示被初始化标记的对象。）
在java中，可作为GC Roots的对象有：
1.虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；
2.方法区中的类静态属性引用的对象；
3.方法区中常量引用的对象；
4.本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）中引用的对象
Phase 2: Concurrent Mark（并发标记）
并发标记阶段，是CMS GC的第二个阶段。
在该阶段，GC线程和应用线程将并发执行。也就是说，在第一个阶段（Initial Mark）被暂停的应用线程将恢复运行。
并发标记阶段的主要工作是，通过遍历第一个阶段（Initial Mark）标记出来的存活对象，继续递归遍历老年代，并标记可直接或间接到达的所有老年代存活对象。
（Current obj：该对象的引用关系发生变化，对下一个对象的引用被删除）
由于在并发标记阶段，应用线程和GC线程是并发执行的，因此可能产生新的对象或对象关系发生变化，例如：
- 新生代的对象晋升到老年代；
- 直接在老年代分配对象；
- 老年代对象的引用关系发生变更；
对于这些对象，需要重新标记以防止被遗漏。为了提高重新标记的效率，本阶段会把这些发生变化的对象所在的Card标识为Dirty，这样后续就只需要扫描这些Dirty Card的对象，从而避免扫描整个老年代。
Phase 3: Concurrent Preclean（并发预清理）
通过参数CMSPrecleaningEnabled选择关闭该阶段，默认启用。
在并发预清理阶段，将会重新扫描前一个阶段标记的Dirty对象（新生代晋升的对象、新分配到老年代的对象以及在并发阶段被修改了的对象），并标记被Dirty对象直接或间接引用的对象，然后清除Card标识。
标记被Dirty对象直接或间接引用的对象：
清除Dirty对象的Card标识：
Phase 4: Concurrent Abortable Preclean（可中止的并发预清理）
本阶段尽可能承担更多的并发预处理工作，从而减轻在Final Remark阶段的stop-the-world。
CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold 默认是2M，如果新生代的对象太少，就没有必要执行该阶段，直接执行重新标记阶段。在该阶段，主要循环的做两件事：
- 处理 From 和 To 区的对象，标记可达的老年代对象；
- 和上一个阶段一样，扫描处理Dirty Card中的对象。
具体执行多久，取决于许多因素，满足其中一个条件将会中止运行：
- 可以设置最多循环的次数
CMSMaxAbortablePrecleanLoops，默认是0，意思没有循环次数的限制。 - 如果执行这个逻辑的时间达到了阈值
CMSMaxAbortablePrecleanTime，默认是5s，会退出循环。 - 如果新生代Eden区的内存使用率达到了阈值
CMSScheduleRemarkEdenPenetration，默认50%，会退出循环。（这个条件能够成立的前提是，在进行Precleaning时，Eden区的使用率小于十分之一）
如果在循环退出之前，发生了一次YGC，对于后面的Remark阶段来说，大大减轻了扫描年轻代的负担，但是发生YGC并非人为控制，所以只能祈祷这5s内可以来一次YGC。
Phase 5: Final Remark（重新标记）
预清理阶段也是并发执行的，并不一定是所有存活对象都会被标记，因为在并发标记的过程中对象及其引用关系还在不断变化中。
因此，需要有一个stop-the-world的阶段来完成最后的标记工作，这就是重新标记阶段（CMS标记阶段的最后一个阶段）。主要目的是重新扫描之前并发处理阶段的所有残留更新对象。
主要工作：
- 遍历新生代对象，重新标记；（新生代会被分块，多线程扫描）
- 根据GC Roots，重新标记；
- 遍历老年代的Dirty Card，重新标记。这里的Dirty Card，大部分已经在Preclean阶段被处理过了。
CMS算法中提供了一个参数：CMSScavengeBeforeRemark，默认并没有开启，如果开启该参数，在执行该阶段之前，会强制触发一次YGC，可以减少新生代对象的遍历时间，回收的也更彻底一点。不过，这种参数有利有弊，利是降低了Remark阶段的停顿时间，弊的是在新生代对象很少的情况下也多了一次YGC，最可怜的是在AbortablePreclean阶段已经发生了一次YGC，然后在该阶段又傻傻的触发一次。所以利弊需要把握。
Phase 6: Concurrent Sweep（并发清理）
并发清理阶段，主要工作是清理所有未被标记的死亡对象，回收被占用的空间。
Phase 7: Concurrent Reset（并发重置）
并发重置阶段，将清理并恢复在CMS GC过程中的各种状态，重新初始化CMS相关数据结构，为下一个垃圾收集周期做好准备。
参考文档：