面试题：为什么 Java 中 CMS 垃圾收集器在发生 Concurrent Mode Failure 时的 Full GC 是单线程的？

在Java中，CMS垃圾收集器（Concurrent Mark-Sweep）在发生 Concurrent Mode Failure 时触发的 Full GC 是单线程的，主要原因与CMS的设计目标、实现机制以及失败场景的特殊性有关。

1. CMS的设计目标

CMS的设计目标是最小化停顿时间，它通过并发的方式执行大部分垃圾回收工作（如并发标记、并发清除），从而减少对应用程序线程的影响。然而，当发生Concurrent Mode Failure时，CMS无法继续以并发的方式回收内存，此时必须回退到一种可靠且简单的方式来回收内存，即单线程的Full GC。

2. 单线程Full GC的可靠性

当发生Concurrent Mode Failure时，通常意味着老年代空间已经非常紧张，内存碎片化严重，或者CMS无法及时完成并发回收。在这种情况下，单线程的Full GC具有以下优势：

简单可靠：单线程的Full GC实现简单，逻辑清晰，能够确保内存回收的彻底性。
避免多线程竞争：在多线程环境下，内存分配和回收可能引发复杂的竞争问题。单线程Full GC避免了这些问题，确保回收过程的一致性。
内存压缩：单线程Full GC通常会伴随内存压缩（Compact），这可以解决老年代的内存碎片问题，为后续的内存分配提供连续的空间。

3. CMS的实现机制

CMS的并发回收机制是基于标记-清除算法（Mark-Sweep），它不会对内存进行压缩。当发生Concurrent Mode Failure时，JVM需要切换到一种能够压缩内存的回收方式（如Serial Old收集器），而Serial Old收集器是单线程的。

Serial Old收集器：这是CMS在发生Concurrent Mode Failure时的默认回退收集器。它是一个单线程的收集器，使用标记-整理算法（Mark-Compact），能够对老年代进行压缩。
单线程的原因：Serial Old收集器的单线程设计是为了简化实现和避免多线程带来的复杂性，尤其是在内存紧张和碎片化严重的情况下。

4. 性能与停顿时间的权衡

虽然单线程Full GC的停顿时间较长，但在Concurrent Mode Failure的场景下，JVM的首要任务是尽快回收内存，以确保应用程序能够继续运行。此时，单线程Full GC的可靠性和简单性比多线程的并发回收更为重要。

多线程Full GC的复杂性：实现一个多线程的Full GC需要处理复杂的同步和竞争问题，尤其是在内存碎片化严重的情况下，这可能会增加实现的复杂性和风险。
停顿时间的可接受性：虽然单线程Full GC的停顿时间较长，但Concurrent Mode Failure本身是一种异常情况，发生的频率较低。因此，JVM选择在这种异常情况下优先保证内存回收的可靠性。

5. 如何避免单线程Full GC

为了避免Concurrent Mode Failure及其导致的单线程Full GC，可以采取以下措施：

增加老年代空间：通过增大堆内存（-Xmx）或调整老年代与年轻代的比例（-XX:NewRatio），为CMS提供更多的缓冲空间。
调整CMS触发阈值：通过-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数降低CMS的触发阈值，让CMS更早启动并发回收。
减少内存碎片：启用CMS的内存压缩功能（-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection），在Full GC时对老年代进行压缩。
优化应用程序：减少长期存活对象的创建，降低对象晋升到老年代的速度。