Python 快速教程(深入篇06): Python的内存管理

语言的内存管理是语言设计的一个重要方面。它是决定语言性能的重要因素。无论是C语言的手工管理,还是Java的垃圾回收,都成为语言最重要的特征。这里以Python语言为例子,说明一门动态类型的、面向对象的语言的内存管理方式。

 

对象的内存使用

赋值语句是语言最常见的功能了。但即使是最简单的赋值语句,也可以很有内涵。Python的赋值语句就很值得研究。

整数1为一个对象。而a是一个引用。利用赋值语句,引用a指向对象1。Python是动态类型的语言(参考动态类型),对象与引用分离。Python像使用“筷子”那样,通过引用来接触和翻动真正的食物——对象。

 引用和对象

 

为了探索对象在内存的存储,我们可以求助于Python的内置函数id()。它用于返回对象的身份(identity)。其实,这里所谓的身份,就是该对象的内存地址。

在我的计算机上,它们返回的是:

11246696
‘0xab9c68’

分别为内存地址的十进制和十六进制表示。

 

在Python中,整数和短小的字符,Python都会缓存这些对象,以便重复使用。当我们创建多个等于1的引用时,实际上是让所有这些引用指向同一个对象。

上面程序返回

11246696

11246696

可见a和b实际上是指向同一个对象的两个引用。

 

为了检验两个引用指向同一个对象,我们可以用is关键字。is用于判断两个引用所指的对象是否相同。

上面的注释为相应的运行结果。可以看到,由于Python缓存了整数和短字符串,因此每个对象只存有一份。比如,所有整数1的引用都指向同一对象。即使使用赋值语句,也只是创造了新的引用,而不是对象本身。长的字符串和其它对象可以有多个相同的对象,可以使用赋值语句创建出新的对象。

 

在Python中,每个对象都有存有指向该对象的引用总数,即引用计数(reference count)。

我们可以使用sys包中的getrefcount(),来查看某个对象的引用计数。需要注意的是,当使用某个引用作为参数,传递给getrefcount()时,参数实际上创建了一个临时的引用。因此,getrefcount()所得到的结果,会比期望的多1。

由于上述原因,两个getrefcount将返回2和3,而不是期望的1和2。

 

对象引用对象

Python的一个容器对象(container),比如表、词典等,可以包含多个对象。实际上,容器对象中包含的并不是元素对象本身,是指向各个元素对象的引用。

我们也可以自定义一个对象,并引用其它对象:

可以看到,a引用了对象b。

 

对象引用对象,是Python最基本的构成方式。即使是a = 1这一赋值方式,实际上是让词典的一个键值”a”的元素引用整数对象1。该词典对象用于记录所有的全局引用。该词典引用了整数对象1。我们可以通过内置函数globals()来查看该词典。

 

当一个对象A被另一个对象B引用时,A的引用计数将增加1。

由于对象b引用了两次a,a的引用计数增加了2。

 

容器对象的引用可能构成很复杂的拓扑结构。我们可以用objgraph包来绘制其引用关系,比如

objgraph是Python的一个第三方包。安装之前需要安装xdot。

objgraph官网

 

两个对象可能相互引用,从而构成所谓的引用环(reference cycle)。

即使是一个对象,只需要自己引用自己,也能构成引用环。

引用环会给垃圾回收机制带来很大的麻烦,我将在后面详细叙述这一点。

 

引用减少

某个对象的引用计数可能减少。比如,可以使用del关键字删除某个引用:

del也可以用于删除容器元素中的元素,比如:


 

 

如果某个引用指向对象A,当这个引用被重新定向到某个其他对象B时,对象A的引用计数减少:

 

垃圾回收

吃太多,总会变胖,Python也是这样。当Python中的对象越来越多,它们将占据越来越大的内存。不过你不用太担心Python的体形,它会乖巧的在适当的时候“减肥”,启动垃圾回收(garbage collection),将没用的对象清除。在许多语言中都有垃圾回收机制,比如Java和Ruby。尽管最终目的都是塑造苗条的提醒,但不同语言的减肥方案有很大的差异 (这一点可以对比本文和Java内存管理与垃圾回收

)。

从基本原理上,当Python的某个对象的引用计数降为0时,说明没有任何引用指向该对象,该对象就成为要被回收的垃圾了。比如某个新建对象,它被分配给某个引用,对象的引用计数变为1。如果引用被删除,对象的引用计数为0,那么该对象就可以被垃圾回收。比如下面的表:

del a后,已经没有任何引用指向之前建立的[1, 2, 3]这个表。用户不可能通过任何方式接触或者动用这个对象。这个对象如果继续待在内存里,就成了不健康的脂肪。当垃圾回收启动时,Python扫描到这个引用计数为0的对象,就将它所占据的内存清空。

 

然而,减肥是个昂贵而费力的事情。垃圾回收时,Python不能进行其它的任务。频繁的垃圾回收将大大降低Python的工作效率。如果内存中的对象不多,就没有必要总启动垃圾回收。所以,Python只会在特定条件下,自动启动垃圾回收。当Python运行时,会记录其中分配对象(object allocation)和取消分配对象(object deallocation)的次数。当两者的差值高于某个阈值时,垃圾回收才会启动。

我们可以通过gc模块的get_threshold()方法,查看该阈值:

返回(700, 10, 10),后面的两个10是与分代回收相关的阈值,后面可以看到。700即是垃圾回收启动的阈值。可以通过gc中的set_threshold()方法重新设置。

 

我们也可以手动启动垃圾回收,即使用gc.collect()。

 

分代回收

Python同时采用了分代(generation)回收的策略。这一策略的基本假设是,存活时间越久的对象,越不可能在后面的程序中变成垃圾。我们的程序往往会产生大量的对象,许多对象很快产生和消失,但也有一些对象长期被使用。出于信任和效率,对于这样一些“长寿”对象,我们相信它们的用处,所以减少在垃圾回收中扫描它们的频率。

小家伙要多检查

 

Python将所有的对象分为0,1,2三代。所有的新建对象都是0代对象。当某一代对象经历过垃圾回收,依然存活,那么它就被归入下一代对象。垃圾回收启动时,一定会扫描所有的0代对象。如果0代经过一定次数垃圾回收,那么就启动对0代和1代的扫描清理。当1代也经历了一定次数的垃圾回收后,那么会启动对0,1,2,即对所有对象进行扫描。

这两个次数即上面get_threshold()返回的(700, 10, 10)返回的两个10。也就是说,每10次0代垃圾回收,会配合1次1代的垃圾回收;而每10次1代的垃圾回收,才会有1次的2代垃圾回收。

同样可以用set_threshold()来调整,比如对2代对象进行更频繁的扫描。

 

孤立的引用环

引用环的存在会给上面的垃圾回收机制带来很大的困难。这些引用环可能构成无法使用,但引用计数不为0的一些对象。

上面我们先创建了两个表对象,并引用对方,构成一个引用环。删除了a,b引用之后,这两个对象不可能再从程序中调用,就没有什么用处了。但是由于引用环的存在,这两个对象的引用计数都没有降到0,不会被垃圾回收。

孤立的引用环

 

为了回收这样的引用环,Python复制每个对象的引用计数,可以记为gc_ref。假设,每个对象i,该计数为gc_ref_i。Python会遍历所有的对象i。对于每个对象i引用的对象j,将相应的gc_ref_j减1。

遍历后的结果

 

在结束遍历后,gc_ref不为0的对象,和这些对象引用的对象,以及继续更下游引用的对象,需要被保留。而其它的对象则被垃圾回收。

 

总结

Python作为一种动态类型的语言,其对象和引用分离。这与曾经的面向过程语言有很大的区别。为了有效的释放内存,Python内置了垃圾回收的支持。Python采取了一种相对简单的垃圾回收机制,即引用计数,并因此需要解决孤立引用环的问题。Python与其它语言既有共通性,又有特别的地方。对该内存管理机制的理解,是提高Python性能的重要一步。

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