[转] Python内存管理机制

转自：https://www.cnblogs.com/51try-again/p/11099999.html

一、引用计数

1、变量与对象

• 变量赋值的时候才创建，它可以指向（引用）任何类型的对象
  • python里每一个东西都是对象，它们的核心就是一个结构体：PyObject
• 变量必须先赋值，再引用。
  • 比如，你定义一个计数器，你必须初始化成0，然后才能自增。
• 每个对象都包含两个头部字段（类型标识符和引用计数器）

关系图如下：

　　变量名没有类型，类型属于对象（因为变量引用对象，所以类型随对象），在Python中，变量是一种特定类型对象在一个特定的时间点的引用。

 2、共享引用

二、内存优化

1、id()

id()是 python 的内置函数，用于返回对象的标识，即对象的内存地址。

>>> help(id)
Help on built-in function id in module builtins:
 
id(obj, /)
    Return the identity of an object.
     
    This is guaranteed to be unique among simultaneously existing objects.
    (CPython uses the object‘s memory address.)

2、引用所指判断

通过is进行引用所指判断，is是用来判断两个引用所指的对象是否相同。

整数：

>>> a = 256
>>> b = 256
>>> a is b
True
>>> c = 257
>>> d = 257
>>> c is d
False
>>>

短字符串：

>>> e = "Explicit"
>>> f = "Explicit"
>>> e is f
True
>>>

长字符串：

>>> g = "Beautiful is better"
>>> h = "Beautiful is better"
>>> g is h
False
>>>

列表：

>>> lst1 = [1, 2, 3]
>>> lst2 = [1, 2, 3]
>>> lst1 is lst2
False
>>>

由运行结果可知：

1、Python缓存了整数和短字符串，因此每个对象在内存中只存有一份，引用所指对象就是相同的，即使使用赋值

　　语句，也只是创造新的引用，而不是对象本身；

2、Python没有缓存长字符串、列表及其他对象，可以由多个相同的对象，可以使用赋值语句创建出新的对象。

 原理：

# 两种优化机制： 代码块内的缓存机制, 小数据池。
 
# 代码块
代码全都是基于代码块去运行的（好比校长给一个班发布命令），一个文件就是一个代码块。
不同的文件就是不同的代码块。
 
# 代码块内的缓存机制
Python在执行同一个代码块的初始化对象的命令时，会检查是否其值是否已经存在，如果存在，会将其重用。
换句话说：执行同一个代码块时，遇到初始化对象的命令时，他会将初始化的这个变量与值存储在一个字典中，
在遇到新的变量时，会先在字典中查询记录，
如果有同样的记录那么它会重复使用这个字典中的之前的这个值。
所以在文件执行时（同一个代码块）会把两个变量指向同一个对象，
满足缓存机制则他们在内存中只存在一个，即：id相同。
 
注意：
# 机制只是在同一个代码块下！！！，才实行。
# 满足此机制的数据类型：int str bool。
 
 
# 小数据池（驻留机制，驻村机制，字符串的驻存机制，字符串的缓存机制等等）
不同代码块之间的优化。
# 适应的数据类型：str bool int
int： -5 ~256
str: 一定条件下的str满足小数据池。
bool值 全部。
 
 
# 总结：
如果你在同一个代码块中，用同一个代码块中的缓存机制。
如果你在不同代码块中，用小数据池。
 
# 优点：
1，节省内存。
2，提升性能。

3、查看对象的引用计数

在Python中，每个对象都有指向该对象的引用总数 --- 引用计数

　　查看对象的引用计数：sys.getrefcount()

　当对变量重新赋值时，它原来引用的值去哪啦？比如下面的例子，给 s 重新赋值 字符串 apple，6 跑哪里去啦？

>>> s = 6
>>> s = ‘apple‘

答案是：当变量重新赋值时，它原来指向的对象（如果没有被其他变量或对象引用的话）的空间可能被收回（垃圾回收）

普通引用：

>>> import sys
>>>
>>> a = "simple"
>>> sys.getrefcount(a)
2
>>> b = a
>>> sys.getrefcount(a)
3
>>> sys.getrefcount(b)
3
>>>

注意：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。

三、垃圾回收

　　当Python中的对象越来越多，占据越来越大的内存，启动垃圾回收(garbage collection)，将没用的对象清除。

1、原理

　　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。

比如某个新建对象，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。

2、解析del

del 可以使 对象的引用计数减 1，该表引用计数变为0，用户不可能通过任何方式接触或者动用这个对象，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。

注意

　　1、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；

　　2、Python只会在特定条件下，自动启动垃圾回收（垃圾对象少就没必要回收）

　　3、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。

>>> import gc
>>>
>>> gc.get_threshold() #gc模块中查看垃圾回收阈值的方法
(700, 10, 10)
>>>

阈值分析：

700 即是垃圾回收启动的阈值；

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；

当然也是可以手动启动垃圾回收：

>>> gc.collect()       #手动启动垃圾回收
52
>>> gc.set_threshold(666, 8, 9) # gc模块中设置垃圾回收阈值的方法
>>>

3、何为分代回收

• 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，就被归入下一代对象。

分代技术是一种典型的以空间换时间的技术，这也正是java里的关键技术。这种思想简单点说就是：对象存在时间越长，越可能不是垃圾，应该越少去收集。
这样的思想，可以减少标记-清除机制所带来的额外操作。分代就是将回收对象分成数个代，每个代就是一个链表（集合），代进行标记-清除的时间与代内对象
存活时间成正比例关系。
从上面代码可以看出python里一共有三代，每个代的threshold值表示该代最多容纳对象的个数。默认情况下，当0代超过700,或1，2代超过10，垃圾回收机制将触发。
0代触发将清理所有三代，1代触发会清理1,2代，2代触发后只会清理自己。

4、标记-清除

标记-清除机制，顾名思义，首先标记对象（垃圾检测），然后清除垃圾（垃圾回收）。
首先初始所有对象标记为白色，并确定根节点对象（这些对象是不会被删除），标记它们为黑色（表示对象有效）。
将有效对象引用的对象标记为灰色（表示对象可达，但它们所引用的对象还没检查），检查完灰色对象引用的对象后，将灰色标记为黑色。
重复直到不存在灰色节点为止。最后白色结点都是需要清除的对象。

如何解决循环引用可能导致的内存泄露问题呢？

import gc
import objgraph
import sys
import weakref
 
 
def quote_demo():
    class Person:
        pass
 
    p = Person()  # 1
    print(sys.getrefcount(p))  # 2  first
 
    def log(obj):
        # 4  second 函数执行才计数，执行完释放
        print(sys.getrefcount(obj))
 
    log(p)  # 3
 
    p2 = p  # 2
    print(sys.getrefcount(p))  # 3
    del p2
    print(sys.getrefcount(p))  # 3 - 1 = 2
 
 
def circle_quote():
    # 循环引用
    class Dog:
        pass
 
    class Person:
        pass
 
    p = Person()
    d = Dog()
 
    print(objgraph.count("Person"))
    print(objgraph.count("Dog"))
 
    p.pet = d
    d.master = p
 
    # 删除 p, d之后, 对应的对象是否被释放掉
    del p
    del d
 
    print(objgraph.count("Person"))
    print(objgraph.count("Dog"))
 
 
def solve_cirecle_quote():
    # 1. 定义了两个类
    class Person:
        def __del__(self):
            print("Person对象, 被释放了")
 
        pass
 
    class Dog:
        def __del__(self):
            print("Dog对象, 被释放了")
 
        pass
 
    p = Person()
    d = Dog()
 
    p.pet = d
    d.master = p
 
    p.pet = None  # 强制置 None
    del p
    del d
 
    gc.collect()
 
    print(objgraph.count("Person"))
    print(objgraph.count("Dog"))
 
 
def sovle_circle_quote_with_weak_ref():
    # 1. 定义了两个类
    class Person:
        def __del__(self):
            print("Person对象, 被释放了")
 
        pass
 
    class Dog:
        def __del__(self):
            print("Dog对象, 被释放了")
 
        pass
 
    p = Person()
    d = Dog()
 
    p.pet = d
    d.master = weakref.ref(p)
 
    del p
    del d
 
    gc.collect()
 
    print(objgraph.count("Person"))
    print(objgraph.count("Dog"))
 
 
if __name__ == "__main__":
    quote_demo()
    circle_quote()
    solve_cirecle_quote()
    sovle_circle_quote_with_weak_ref()

答案是：

1. 弱引用   使用weakref 模块下的 ref 方法
2. 强制把其中一个引用变成 None

四、内存池机制

　　Python中有分为大内存和小内存：（256K为界限分大小内存）

1. 大内存使用malloc进行分配
2. 小内存使用内存池进行分配
3. Python的内存池(金字塔)

第+3层：最上层，用户对Python对象的直接操作

第+1层和第+2层：内存池，有Python的接口函数PyMem_Malloc实现

• • 若请求分配的内存在1~256字节之间就使用内存池管理系统进行分配，调用malloc函数分配内存，
  • 但是每次只会分配一块大小为256K的大块内存，不会调用free函数释放内存，将该内存块留在内存池中以便下次使用

第0层：大内存  -----> 若请求分配的内存大于256K，malloc函数分配内存，free函数释放内存。

　　第-1，-2层：操作系统进行操作