JVM发生CMS GC的 5 种状况，你知道的确定不全！

常常有同窗会问，为啥个人应用 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 的触发条件很是多，不仅是 CMSInitiatingOccupancyFraction 阈值触发这么简单。本文经过源码全面梳理了触发 CMS GC 的条件，尽量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。

• 为何 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?
• 为何 Old Gen 使用占比很是小就进行了一次 CMS GC?

触发条件

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

下面咱们从 foreground collector 和 background collector 分别来讲明他们的触发条件：

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，以及何时进行 MSC(mark sweep compact)不在本文范围

foreground collector

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

background collector

说明 background collector 的触发条件以前，先来讲下 background collector 的流程，它是经过 CMS 后台线程不断的去扫描，过程当中主要是判断是否符合 background collector 的触发条件，一旦有符合的状况，就会进行一次 background 的 collect。

1. void ConcurrentMarkSweepThread::run() {  
2. ...//省略  
3. while (!_should_terminate) {  
4. sleepBeforeNextCycle();  
5. if (_should_terminate) break;  
6. GCCause::Cause cause = _collector->_full_gc_requested ?  
7. _collector->_full_gc_cause : GCCause::_cms_concurrent_mark;  
8. _collector->collect_in_background(false, cause);  
9. }  
10. ...//省略  
11. }  

每次扫描过程当中，先等 CMSWaitDuration 时间，而后再去进行一次 shouldConcurrentCollect 判断，看是否知足 CMS background collector 的触发条件。CMSWaitDuration 默认时间是 2s(常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，若是是 2s，那基本就能够判定是 CMS 的 background collector)。

1. void ConcurrentMarkSweepThread::sleepBeforeNextCycle() {  
2. while (!_should_terminate) {  
3. if (CMSIncrementalMode) {  
4. icms_wait();  
5. if(CMSWaitDuration >= 0) {  
6. // Wait until the next synchronous GC, a concurrent full gc  
7. // request or a timeout, whichever is earlier.  
8. wait_on_cms_lock_for_scavenge(CMSWaitDuration);  
9. }  
10. return;  
11. } else {  
12. if(CMSWaitDuration >= 0) {  
13. // Wait until the next synchronous GC, a concurrent full gc  
14. // request or a timeout, whichever is earlier.  
15. wait_on_cms_lock_for_scavenge(CMSWaitDuration);  
16. } else {  
17. // Wait until any cms_lock event or check interval not to call shouldConcurrentCollect permanently  
18. wait_on_cms_lock(CMSCheckInterval);  
19. }  
20. }  
21. // Check if we should start a CMS collection cycle  
22. if (_collector->shouldConcurrentCollect()) {  
23. return;  
24. }  
25. // .. collection criterion not yet met, let's go back  
26. // and wait some more  
27. }  
28. }  

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

1. bool CMSCollector::shouldConcurrentCollect() { 
2. // 第一种触发状况 
3. if (_full_gc_requested) { 
4. if (Verbose && PrintGCDetails) { 
5. gclog_or_tty->print_cr("CMSCollector: collect because of explicit " 
6. " gc request (or gc_locker)"); 
7. } 
8. return true; 
9. } 
10. // For debugging purposes, change the type of collection. 
11. // If the rotation is not on the concurrent collection 
12. // type, don't start a concurrent collection. 
13. NOT_PRODUCT( 
14. if (RotateCMSCollectionTypes && 
15. (_cmsGen->debug_collection_type() != 
16. ConcurrentMarkSweepGeneration::Concurrent_collection_type)) { 
17. assert(_cmsGen->debug_collection_type() != 
18. ConcurrentMarkSweepGeneration::Unknown_collection_type, 
19. "Bad cms collection type"); 
20. return false; 
21. } 
22. ) 
23. FreelistLocker x(this); 
24. // ------------------------------------------------------------------ 
25. // Print out lots of information which affects the initiation of 
26. // a collection. 
27. if (PrintCMSInitiationStatistics && stats().valid()) { 
28. gclog_or_tty->print("CMSCollector shouldConcurrentCollect: "); 
29. gclog_or_tty->stamp(); 
30. gclog_or_tty->print_cr(""); 
31. stats().print_on(gclog_or_tty); 
32. gclog_or_tty->print_cr("time_until_cms_gen_full %3.7f", 
33. stats().time_until_cms_gen_full()); 
34. gclog_or_tty->print_cr("free="SIZE_FORMAT, _cmsGen->free()); 
35. gclog_or_tty->print_cr("contiguous_available="SIZE_FORMAT, 
36. _cmsGen->contiguous_available()); 
37. gclog_or_tty->print_cr("promotion_rate=%g", stats().promotion_rate()); 
38. gclog_or_tty->print_cr("cms_allocation_rate=%g", stats().cms_allocation_rate()); 
39. gclog_or_tty->print_cr("occupancy=%3.7f", _cmsGen->occupancy()); 
40. gclog_or_tty->print_cr("initiatingOccupancy=%3.7f", _cmsGen->initiating_occupancy()); 
41. gclog_or_tty->print_cr("metadata initialized %d", 
42. MetaspaceGC::should_concurrent_collect()); 
43. } 
44. // ------------------------------------------------------------------ 
45. // 第二种触发状况 
46. // If the estimated time to complete a cms collection (cms_duration()) 
47. // is less than the estimated time remaining until the cms generation 
48. // is full, start a collection. 
49. if (!UseCMSInitiatingOccupancyOnly) { 
50. if (stats().valid()) { 
51. if (stats().time_until_cms_start() == 0.0) { 
52. return true; 
53. } 
54. } else { 
55. // We want to conservatively collect somewhat early in order 
56. // to try and "bootstrap" our CMS/promotion statistics; 
57. // this branch will not fire after the first successful CMS 
58. // collection because the stats should then be valid. 
59. if (_cmsGen->occupancy() >= _bootstrap_occupancy) { 
60. if (Verbose && PrintGCDetails) { 
61. gclog_or_tty->print_cr( 
62. " CMSCollector: collect for bootstrapping statistics:" 
63. " occupancy = %f, boot occupancy = %f", _cmsGen->occupancy(), 
64. _bootstrap_occupancy); 
65. } 
66. return true; 
67. } 
68. } 
69. } 
70. // 第三种触发状况 
71. // Otherwise, we start a collection cycle if 
72. // old gen want a collection cycle started. Each may use 
73. // an appropriate criterion for making this decision. 
74. // XXX We need to make sure that the gen expansion 
75. // criterion dovetails well with this. XXX NEED TO FIX THIS 
76. if (_cmsGen->should_concurrent_collect()) { 
77. if (Verbose && PrintGCDetails) { 
78. gclog_or_tty->print_cr("CMS old gen initiated"); 
79. } 
80. return true; 
81. } 
82. // 第四种触发状况 
83. // We start a collection if we believe an incremental collection may fail; 
84. // this is not likely to be productive in practice because it's probably too 
85. // late anyway. 
86. GenCollectedHeap* gch = GenCollectedHeap::heap(); 
87. assert(gch->collector_policy()->is_two_generation_policy(), 
88. "You may want to check the correctness of the following"); 
89. if (gch->incremental_collection_will_fail(true /* consult_young */)) { 
90. if (Verbose && PrintGCDetails) { 
91. gclog_or_tty->print("CMSCollector: collect because incremental collection will fail "); 
92. } 
93. return true; 
94. } 
95. // 第五种触发状况 
96. if (MetaspaceGC::should_concurrent_collect()) { 
97. if (Verbose && PrintGCDetails) { 
98. gclog_or_tty->print("CMSCollector: collect for metadata allocation "); 
99. } 
100. return true; 
101. } 
102. return false; 
103. } 

上述代码可知，从大类上分， background collector 一共有 5 种触发状况：

1.是不是并行 Full GC

指的是在 GC cause 是 gclocker 且配置了 GCLockerInvokesConcurrent 参数, 或者 GC cause 是javalangsystemgc(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须要进行一次 CMS GC。

判断逻辑是，若是预测 CMS GC 完成所须要的时间大于预计的老年代将要填满的时间，则进行 GC。 这些判断是须要基于历史的 CMS GC 统计指标，然而，第一次 CMS GC 时，统计数据尚未造成，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。

1. if (!UseCMSInitiatingOccupancyOnly) { 
2. if (stats().valid()) { 
3. if (stats().time_until_cms_start() == 0.0) { 
4. return true; 
5. } 
6. } else { 
7. // We want to conservatively collect somewhat early in order 
8. // to try and "bootstrap" our CMS/promotion statistics; 
9. // this branch will not fire after the first successful CMS 
10. // collection because the stats should then be valid. 
11. if (_cmsGen->occupancy() >= _bootstrap_occupancy) { 
12. if (Verbose && PrintGCDetails) { 
13. gclog_or_tty->print_cr( 
14. " CMSCollector: collect for bootstrapping statistics:" 
15. " occupancy = %f, boot occupancy = %f", _cmsGen->occupancy(), 
16. _bootstrap_occupancy); 
17. } 
18. return true; 
19. } 
20. } 
21. } 

那占多少比率，开始回收呢?(也就是 bootstrapoccupancy 的值是多少呢?) 答案是 50%。或许你已经遇到过相似案例，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。

1. _bootstrap_occupancy = ((double)CMSBootstrapOccupancy)/(double)100; 
2. //参数默认值 
3. product(uintx, CMSBootstrapOccupancy, 50, 
4. "Percentage CMS generation occupancy at which to initiate CMS collection for bootstrapping collection stats") 

3.根据 Old Gen 状况判断

1. bool ConcurrentMarkSweepGeneration::should_concurrent_collect() const { 
2. assert_lock_strong(freelistLock()); 
3. if (occupancy() > initiating_occupancy()) { 
4. if (PrintGCDetails && Verbose) { 
5. gclog_or_tty->print(" %s: collect because of occupancy %f / %f ", 
6. short_name(), occupancy(), initiating_occupancy()); 
7. } 
8. return true; 
9. } 
10. if (UseCMSInitiatingOccupancyOnly) { 
11. return false; 
12. } 
13. if (expansion_cause() == CMSExpansionCause::_satisfy_allocation) { 
14. if (PrintGCDetails && Verbose) { 
15. gclog_or_tty->print(" %s: collect because expanded for allocation ", 
16. short_name()); 
17. } 
18. return true; 
19. } 
20. if (_cmsSpace->should_concurrent_collect()) { 
21. if (PrintGCDetails && Verbose) { 
22. gclog_or_tty->print(" %s: collect because cmsSpace says so ", 
23. short_name()); 
24. } 
25. return true; 
26. } 
27. return false; 
28. } 

从源码上看，这里主要分红两类： (a) Old Gen 空间使用占比状况与阈值比较，若是大于阈值则进行 CMS GC 也就是"occupancy() > initiatingoccupancy()"，occupancy 毫无疑问是 Old Gen 当前空间的使用占比，而 initiatingoccupancy 是多少呢?

1. _cmsGen ->init_initiating_occupancy(CMSInitiatingOccupancyFraction, CMSTriggerRatio); 
2. ... 
3. void ConcurrentMarkSweepGeneration::init_initiating_occupancy(intx io, uintx tr) { 
4. assert(io <= 100 && tr <= 100, "Check the arguments"); 
5. if (io >= 0) { 
6. _initiating_occupancy = (double)io / 100.0; 
7. } else { 
8. _initiating_occupancy = ((100 - MinHeapFreeRatio) + 
9. (double)(tr * MinHeapFreeRatio) / 100.0) 
10. / 100.0; 
11. } 
12. } 

能够看到当 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”，这究竟是多少呢?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，可是其实 CMSInitiatingOccupancyFraction 没有配置是 -1，因此阈值取后者 92%，并非 CMSInitiatingOccupancyFraction 的值是 92。

(b) 接下来没有配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 的状况

这里也分红有两小类状况：

当 Old Gen 刚由于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，因此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。若是 Young GC 已经失败或者可能会失败，JVM 就认为须要进行一次 CMS GC。

1. bool incremental_collection_will_fail(bool consult_young) { 
2. // Assumes a 2-generation system; the first disjunct remembers if an 
3. // incremental collection failed, even when we thought (second disjunct) 
4. // that it would not. 
5. assert(heap()->collector_policy()->is_two_generation_policy(), 
6. "the following definition may not be suitable for an n(>2)-generation system"); 
7. return incremental_collection_failed() || 
8. (consult_young && !get_gen(0)->collection_attempt_is_safe()); 
9. } 

咱们看两个判断条件，“incrementalcollectionfailed()” 和 “!getgen(0)->collectionattemptissafe()” incrementalcollectionfailed() 这里指的是 Young GC 已经失败，至于为何会失败通常是由于 Old Gen 没有足够的空间来容纳晋升的对象。

!getgen(0)->collectionattemptissafe() 指的是新生代晋升是否安全。 经过判断当前 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 到底要晋升多少是没法提早知道的，所以，这里经过统计平均每次 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。

1. //av_promo 是平均每次 YoungGC 晋升的大小，max_promotion_in_bytes 是当前可能的最大晋升大小( eden+from 当前使用空间的大小) 
2. bool res = (available >= av_promo) || (available >= max_promotion_in_bytes); 

5.根据 meta space 状况判断

这里主要看 metaspace 的 shouldconcurrent_collect 标志，这个标志在 meta space 进行扩容前若是配置了 CMSClassUnloadingEnabled 参数时，会进行设置。这种状况下就会进行一次 CMS GC。所以常常会有应用启动不久，Old Gen 空间占比还很小的状况下，进行了一次 CMS GC，让你很莫名其妙，其实就是这个缘由致使的。

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总结

本文梳理了 CMS GC 的 foreground collector 和 background collector 的触发条件，foreground collector 的触发条件相对来讲比较简单，而 background collector 的触发条件比较多，分红 5 大种状况，各大种状况种还有一些小的触发分支。尤为是在没有配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 参数的状况下，会多出不少种触发可能，通常在生产环境是强烈建议配置 UseCMSInitiatingOccupancyOnly 参数，以便于可以比较肯定的执行 CMS GC，另外，也方便排查 GC 缘由。