Java 虚拟机面试题, Java 中 CMS 垃圾收集器的写屏障如何维护卡表和增量更新?
Java 虚拟机面试题, Java 中 CMS 垃圾收集器的写屏障如何维护卡表和增量更新?
QA
Step 1
Q:: Java 中 CMS 垃圾收集器的写屏障如何维护卡表和增量更新？
A:: CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾收集器是一种基于标记-清除算法的收集器，它的主要目标是减少应用程序的停顿时间。CMS 使用写屏障来维护卡表和进行增量更新。写屏障是一种字节码指令或硬件指令，它在应用程序的每次对象引用修改时被触发。CMS 的写屏障用于维护一个卡表，该卡表是用于跟踪特定内存区域中的对象是否已被修改。卡表的每一项对应一个内存区域（卡），当该区域中的对象被修改时，写屏障会将对应的卡标记为脏卡（Dirty Card）。在 CMS 的增量更新阶段，垃圾收集器会扫描这些脏卡，重新标记其中的对象，以确保在垃圾收集时，这些对象能够被正确识别。
Step 2
Q:: CMS 垃圾收集器有哪些优点和缺点？
A:: 优点：1. CMS 最大的优点是并发收集和低停顿时间，非常适合对响应时间敏感的应用。2. CMS 在收集过程中不需要暂停应用程序的所有线程，允许应用程序和垃圾收集器并行运行。缺点：1. CMS 的垃圾收集会产生内存碎片，因为它是基于标记-清除算法，而不是标记-整理算法。2. CMS 在低内存情况下可能会出现'Concurrent Mode Failure'，导致应用程序进入Full GC，这会带来更长的停顿时间。3. CMS 相较于其他垃圾收集器，对 CPU 资源的需求较高。
Step 3
Q:: CMS 的增量更新和初始标记阶段有何区别？
A:: 初始标记阶段是 CMS 垃圾收集器的第一个阶段，这个阶段会标记所有从根集合（GC Roots）直接可达的对象。这个阶段需要短暂地暂停所有应用程序线程（Stop-The-World），但时间通常较短。增量更新阶段则是 CMS 的并发阶段之一，在该阶段，垃圾收集器会跟踪在初始标记之后被修改的对象，以确保这些对象也能被正确标记为活跃对象。这是通过写屏障机制来实现的。
Step 4
Q:: 在 CMS 的垃圾收集过程中，什么时候会出现'Concurrent Mode Failure'？
A:: 当 CMS 在并发清除阶段来不及回收内存，导致可用内存不足以满足应用程序分配需求时，会出现'Concurrent Mode Failure'。这时，JVM 会被迫触发一次 Full GC 来解决内存不足的问题，Full GC 是一种完全暂停所有应用程序线程的垃圾收集过程，通常会带来较长的停顿时间。
Step 5
Q:: 如何避免 CMS 垃圾收集器的内存碎片问题？
A:: CMS 垃圾收集器的内存碎片问题可以通过以下几种方式缓解：1. 调整 CMS 的启动阈值和参数，例如通过增加堆内存大小或降低触发 Full GC 的阈值。2. 使用 CMS 的内存压缩功能（通过配置参数 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection），在 Full GC 之后对内存进行压缩整理。3. 在可能的情况下，切换到 G1 垃圾收集器，它结合了 CMS 的低停顿特性，并且通过区域化堆内存管理有效地减少了内存碎片。