python進階（7）垃圾回收機制
阿新 • • 發佈：2021-02-25
# Python垃圾回收
基於C語言原始碼底層，讓你真正瞭解垃圾回收機制的實現
- 引用計數器
- 標記清除
- 分代回收
- 快取機制
- Python的C原始碼（3.8.2版本）
# 1.引用計數器
## 1.1環狀雙向連結串列 refchain
在python中建立的任何物件都會放在refchain連結串列中
```
name = 'jack'
age = 18
hobby = ['籃球', '美女']
```
```
內部會建立一些資料【上一個物件、下一個物件、型別、引用個數】
name = 'jack'
new = name
內部會建立一些資料【上一個物件、下一個物件、型別、引用個數、val=18】
age = 18
內部會建立一些資料【上一個物件、下一個物件、型別、引用個數、items=元素、元素個數】
hobby = ['籃球', '美女']
```
在C原始碼中如何體現每個物件都有的相同的值：PyObject結構體（4個值）
有多個元素組成的物件：Pyobject結構體（4個值）+ ob_size
## 1.2型別封裝結構體
```
data = 3.14
內部會建立：
_ob_next = refchain中的上一個物件
_ob_prev = refchain中的下一個物件
ob_refcnt = 1
ob_type = float
ob_fval = 3.14
```
## 1.3引用計數器
```
v1 = 3.14
v2 = 999
v3 = (1, 2, 3)
```
當python程式執行時，會根據資料結構的不同來找到對應的結構體，根據結構體中的欄位來進行建立相關的資料，然後將物件新增到`refchain`雙向連結串列中。
在C原始碼中有兩個關鍵的結構體：PyObject、PyVarObject
每個物件中有`ob_refcnt`就是引用計數器，值預設為1，當有其他變數引用物件時，引用計數器就會發生變化。
- 引用
```
a = 9999
b = a
```
- 刪除引用
```
a = 9999
b = a
del b # b變數刪除，b對應物件引用計數器-1
del a # a變數刪除，a對應物件引用計數器-1
# 當一個物件引用的計數器為0時，意味著沒有人再使用這個物件了，這個物件就是垃圾，需要被回收
# 回收：1.物件從refchain連結串列中移除，2.將物件銷燬，記憶體歸還
```
## 1.4迴圈引用的問題
基於引用計數器進行垃圾回收非常方便和簡單，但他還是存在迴圈引用的問題，導致無法正常的回收一些資料，例如：
```
v1 = [11,22,33] # refchain中建立一個列表物件，由於v1=物件，所以列表引物件用計數器為1.
v2 = [44,55,66] # refchain中再建立一個列表物件，因v2=物件，所以列表物件引用計數器為1.
v1.append(v2) # 把v2追加到v1中，則v2對應的[44,55,66]物件的引用計數器加1，最終為2.
v2.append(v1) # 把v1追加到v1中，則v1對應的[11,22,33]物件的引用計數器加1，最終為2.
del v1 # 引用計數器-1
del v2 # 引用計數器-1
```
# 2.標記清除
對於上述程式碼會發現，執行`del`操作之後，沒有變數再會去使用那兩個列表物件，但由於迴圈引用的問題，他們的引用計數器不為0，所以他們的狀態：永遠不會被使用、也不會被銷燬。專案中如果這種程式碼太多，就會導致記憶體一直被消耗，直到記憶體被耗盡，程式崩潰。
為了解決迴圈引用的問題，引入了`標記清除`技術，專門針對那些可能存在迴圈引用的物件進行特殊處理，可能存在迴圈應用的型別有：列表、元組、字典、集合、自定義類等那些能進行資料巢狀的型別。
`標記清除`：建立特殊連結串列專門用於儲存 列表、元組、字典、集合、自定義類等物件，之後再去檢查這個連結串列中的物件是否存在迴圈引用，如果存在則讓雙方的引用計數器均 - 1 。如果減完為0，則垃圾回收
# 3.分代回收
對標記清除中的連結串列進行優化，將那些可能存在循引用的物件拆分到3個連結串列，連結串列稱為：0/1/2三代，每代都可以儲存物件和閾值，當達到閾值時，就會對相應的連結串列中的每個物件做一次掃描，除迴圈引用各自減1並且銷燬引用計數器為0的物件。
```
// 分代的C原始碼
#define NUM_GENERATIONS 3
struct gc_generation generations[NUM_GENERATIONS] = {
/* PyGC_Head, threshold, count */
{{(uintptr_t)_GEN_HEAD(0), (uintptr_t)_GEN_HEAD(0)}, 700, 0}, // 0代
{{(uintptr_t)_GEN_HEAD(1), (uintptr_t)_GEN_HEAD(1)}, 10, 0}, // 1代
{{(uintptr_t)_GEN_HEAD(2), (uintptr_t)_GEN_HEAD(2)}, 10, 0}, // 2代
};
```
特別注意：0代和1、2代的threshold和count表示的意義不同。
- 0代，count表示0代連結串列中物件的數量，threshold表示0代連結串列物件個數閾值，超過則執行一次0代掃描檢查
- 1代，count表示0代連結串列掃描的次數，threshold表示0代連結串列掃描的次數閾值，超過則執行一次1代掃描檢查。
- 2代，count表示1代連結串列掃描的次數，threshold表示1代連結串列掃描的次數閾值，超過則執行一2代掃描檢查。
# 4.小結
在python中維護了一個refchain雙向環狀連結串列、這個連結串列中儲存程式建立的所有物件，每種型別的物件中都有一個ob_refcnt引用計數器的值，引用個數+1、-1，最後當引用計數器變為0時會進行垃圾回收（物件銷燬、refchain中移除）。
但是，python中那些可以有多個元素組成的物件可能會存在出現迴圈引用的問題，為了解決這個問題，python又引入了標記清除和分代回收，在其內部為4個連結串列
- refchain
- 2代，10次
- 1代，10次
- 0代，700次
在原始碼內部當達到各自的閾值時，會出發掃描連結串列進行標記清除的動作（有迴圈就各自-1），但是原始碼內部還提供了優化機制
# 5.Python快取
從上文大家可以瞭解到當物件的引用計數器為0時，就會被銷燬並釋放記憶體。而實際上他不是這麼的簡單粗暴，因為反覆的建立和銷燬會使程式的執行效率變低。Python中引入了“快取機制”機制。 例如：引用計數器為0時，不會真正銷燬物件，而是將他放到一個名為 `free_list` 的連結串列中，之後會再建立物件時不會在重新開闢記憶體，而是在free_list中將之前的物件來並重置內部的值來使用。
- float型別，維護的free_list連結串列最多可快取100個float物件。
```
v1 = 3.14 # 開闢記憶體來儲存float物件，並將物件新增到refchain連結串列。
print( id(v1) ) # 記憶體地址：140599203433232
del v1 # 引用計數器-1，如果為0則在rechain連結串列中移除，不銷燬物件，而是將物件新增到float的free_list.
v2 = 9.999 # 優先去free_list中獲取物件，並重置為9.999，如果free_list為空才重新開闢記憶體。
print( id(v2) ) # 記憶體地址：140599203433232
# 注意：引用計數器為0時，會先判斷free_list中快取個數是否滿了，未滿則將物件快取，已滿則直接將物件銷燬。
```
- int型別，不是基於free_list，而是維護一個small_ints連結串列儲存常見資料（小資料池），小資料池範圍：`-5 <= value < 257`。即：重複使用這個範圍的整數時，不會重新開闢記憶體。
```
v1 = 38 # 去小資料池small_ints中獲取38整數物件，將物件新增到refchain並讓引用計數器+1。
print( id(v1)) #記憶體地址：4401668032
v2 = 38 # 去小資料池small_ints中獲取38整數物件，將refchain中的物件的引用計數器+1。
print( id(v2) ) #記憶體地址：4401668032
# 注意：在直譯器啟動時候-5~256就已經被加入到small_ints連結串列中且引用計數器初始化為1，程式碼中使用的值時直接去small_ints中拿來用並將引用計數器+1即可。另外，small_ints中的資料引用計數器永遠不會為0（初始化時就設定為1了），所以也不會被銷燬。
```
- str型別，維護unicode_latin1[256]連結串列，內部將所有的ascii字元快取起來，以後使用時就不再反覆建立。
```
v1 = "A"
print( id(v1) ) # 輸出：140599159374000
del v1
v2 = "A"
print( id(v1) ) # 輸出：140599159374000
# 除此之外，Python內部還對字串做了駐留機制，針對那麼只含有字母、數字、下劃線的字串（見原始碼Objects/codeobject.c），如果記憶體中已存在則不會重新在建立而是使用原來的地址裡（不會像free_list那樣一直在記憶體存活，只有記憶體中有才能被重複利用）。
v1 = "jack"
v2 = "jack"
print(id(v1) == id(v2)) # 輸出：True
```
- list型別，維護的free_list陣列最多可快取80個list物件。
```
v1 = [11,22,33]
print( id(v1) ) # 輸出：4517628816
del v1
v2 = ["j","ack"]
print( id(v2) ) # 輸出：4517628816
```
- tuple型別，維護一個free_list陣列且陣列容量20，陣列中元素可以是連結串列且每個連結串列最多可以容納2000個元組物件。元組的free_list陣列在儲存資料時，是按照元組可以容納的個數為索引找到free_list陣列中對應的連結串列，並新增到連結串列中。
```
v1 = (1,2)
print( id(v1) )
del v1 # 因元組的數量為2，所以會把這個物件快取到free_list[2]的連結串列中。
v2 = ("甲殼蟲","Alex") # 不會重新開闢記憶體，而是去free_list[2]對應的連結串列中拿到一個物件來使用。
print( id(v2) )
```
- dict型別，維護的free_list陣列最多可快取80個dict物件。
```
v1 = {"k1":123}
print( id(v1) ) # 輸出：4515998128
del v1
v2 = {"name":"甲殼蟲","age":18,"gender":"男"}
print( id(v2) ) # 輸出：4515998128
```
參考資料：