Python的垃圾回收機制

引子:

我們定義變數會申請記憶體空間來存放變數的值，而記憶體的容量是有限的，當一個變數值沒有用了（簡稱垃圾）就應該將其佔用的記憶體給回收掉，而 變數名是訪問到變數值的唯一方式 ，所以當一個變數值沒有關聯任何變數名時，我們就無法再訪問到該變數值了，該 變數值 就是一個垃圾會被Python解釋的垃圾回收機制自動回收。。。

一、什麼是垃圾回收機制？

垃圾回收機制（簡稱GC）是Python直譯器自帶一種機制，專門用來回收不可用的變數值所佔用的記憶體空間

二、為什麼要用垃圾回收機制？

程式執行過程中會申請大量的記憶體空間，而對於一些無用的記憶體空間如果不及時清理的話會導致記憶體使用殆盡（記憶體溢位），導致程式崩潰，因此管理記憶體是一件重要且繁雜的事情，而python直譯器自帶的垃圾回收機制把程式設計師從繁雜的記憶體管理中解放出來。

三、垃圾回收機制原理分析

Python的GC模組主要運用了“ 引用計數 ”（reference counting）來跟蹤和回收垃圾。在引用計數的基礎上，還可以通過“ 標記-清除 ”（mark and sweep）解決容器物件可能產生的迴圈引用的問題，並且通過“ 分代回收 ”（generation collection）以空間換取時間的方式來進一步提高垃圾回收的效率。

1、什麼是引用計數？

引用計數就是： 變數值被變數名關聯的次數

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如：name=‘jason'

變數值jason被關聯了一個name，稱之為引用計數為1

引用計數增加：

x=10 （此時，變數值10的引用計數為1）

y=x （此時，把x的記憶體地址給了y，此時，x,y都關聯了10，所以變數值10的引用計數為2）

引用計數減少：

x=3（此時，x與10解除了關聯，與3 建立了關聯，變數10的引用計數為1）

del y（del的意思是解除變數名y與變數值10的關聯關係，此時，變數10的引用計數為0）

這樣變數值10的引用計數為0，其佔用的記憶體地址就會被回收

2、引用計數擴充套件閱讀？（摺疊）

引用計數機制執行效率問題：變數值被關聯次數的增加或減少，都會引發引用計數機制的執行，這存在明顯的效率問題 如果說執行效率還僅僅是引用計數機制的一個軟肋的話，那麼很不幸，引用計數機制還存在著一個致命的弱點，即 迴圈引用

# 變數名l1指向列表1，變數名l2指向列表2，如下
>>> l1=['列表1中的第一個元素'] # 列表1被引用一次 
>>> l2=['列表2中的第一個元素'] # 列表2被引用一次 
>>> l1.append(l2) # 把列表2追加到l1中作為第二個元素，列表2的引用計數為2
>>> l2.append(l1) # 把列表1追加到l2中作為第二個元素，列表1的引用計數為2
# l1與l2
# l1 = ['列表1中的第一個元素',列表2的記憶體地址]
# l2 = ['列表2中的第一個元素',列表1的記憶體地址]

迴圈引用可以使一組物件的引用計數不為0，然而這些物件實際上並沒有被任何外部物件所引用，它們之間只是相互引用。這意味著不會再有人使用這組物件，應該回收這組物件所佔用的記憶體空間，然後由於相互引用的存在，每一個物件的引用計數都不為0，因此這些物件所佔用的記憶體永遠不會被釋放。比如：

>>> l1
['列表1中的第一個元素', ['列表2中的第一個元素', [...]]]
>>> l2
['列表2中的第一個元素', ['列表1中的第一個元素', [...]]]
>>> l1[1][1][0]
'列表1中的第一個元素'

如果我們執行del l1，列表1的引用計數=2-1，即列表1不會被回收，同理del l2，列表2的引用計數=2-1，此時無論列表1還是列表2都沒有任何名字關聯，但是引用計數均不為0，所以迴圈引用是致命的，這與手動進行記憶體管理所產生的記憶體洩露毫無區別 要解決這個問題，Python引入了其他的垃圾收集機制來彌補引用計數的缺陷： 1、“標記-清除” 2、“分代回收”

標記-清除

容器物件（比如：list，set，dict，class，instance）都可以包含對其他物件的引用，所以都可能產生迴圈引用。而“標記-清除”計數就是為了解決迴圈引用的問題。

在瞭解標記清除演算法前，我們需要明確一點， 記憶體中有兩塊區域：堆區與棧區，在定義變數時，變數名存放於棧區，變數值存放於堆區，記憶體管理回收的則是堆區的內容 ，詳解如下圖

標記/清除演算法的做法 是當有效記憶體空間被耗盡的時候，就會停止整個程式，然後進行兩項工作，第一項則是標記，第二項則是清除

標記：標記的過程其實就是，遍歷所有的GC Roots物件(棧區中的所有內容或者執行緒都可以作為GC Roots物件），然後將所有GC Roots的物件可以直接或間接訪問到的物件標記為存活的物件。

清除：清除的過程將遍歷堆中所有的物件，將沒有標記的物件全部清除掉。

GC roots物件直接訪問到的物件，插圖如下

用圖形解釋，環引用的例子中的l1與l2，在什麼時候啟動標記清除，標記清除的整個過程

分代回收

背景：

基於引用計數的回收機制，每次回收記憶體，都需要把所有物件的引用計數都遍歷一遍，這是非常消耗時間的，於是引入了分代回收來提高回收效率，採用“ 空間換時間的策略 ”。

什麼是分代回收？

分代：

分代回收的核心思想是： 在多次掃描的情況下，都沒有被回收的變數，gc機制就會認為，該變數是常用變數，gc對其掃描的頻率會降低 ，具體實現原理如下：

分代指的是根據存活時間來為變數劃分不同等級（也就是不同的代）

新定義的變數，放到新生代這個等級中，假設每隔1分鐘掃描新生代一次，如果發現變數依然被引用，那麼該物件的權重（權重本質就是個整數）加一，當變數的權重大於某個設定得值（假設為3），會將它移動到更高一級的青春代，青春代的gc掃描的頻率低於新生代（掃描時間間隔更長），假設5分鐘掃描青春代一次，這樣每次gc需要掃描的變數的總個數就變少了，節省了掃描的總時間，接下來，青春代中的物件，也會以同樣的方式被移動到老年代中。也就是等級（代）越高，被垃圾回收機制掃描的頻率越低

回收：

回收依然是使用引用計數作為回收的依據

圖示：3.

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缺點：

例如一個變數剛剛從新生代移入青春代，該變數的繫結關係就解除了，該變數應該被回收，青春代的掃描頻率低於新生代，所以該變數的回收時間被延遲。