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不懂關(guān)于Python中垃圾回收機(jī)制的案例分析?其實(shí)想解決這個問題也不難,下面讓小編帶著大家一起學(xué)習(xí)怎么去解決,希望大家閱讀完這篇文章后大所收獲。
垃圾回收
1.1 refchain
在Python的C源碼中有一個refchain的環(huán)狀雙向鏈表,Python程序當(dāng)中一旦創(chuàng)建對象都會把這個對象添加到refchain這個鏈表當(dāng)中,保存著所有的對象。
name = "皮卡丘" width = 5
1.2引用計(jì)數(shù)器
在refchain中所有對象內(nèi)部都有一個ob_refcnt用來保存當(dāng)前對象的引用計(jì)數(shù)器
name = "皮卡丘" width = 5 nickname = name
上述代碼表示內(nèi)存中有5和”皮卡丘“兩個值,他們的引用計(jì)數(shù)器分別為1、2
當(dāng)值被多次引用時候,不會再內(nèi)存中重復(fù)創(chuàng)建數(shù)據(jù),而是引用計(jì)數(shù)器+1。當(dāng)對象被銷毀時候同時會讓引用計(jì)數(shù)器-1,如果引用計(jì)數(shù)器為0,則將對象從refchain鏈表中刪除,同時在內(nèi)存中進(jìn)行銷毀(暫時不考慮緩存等特殊情況)。
name = "皮卡丘"nickname = name # 對象”皮卡丘“的引用計(jì)數(shù)器+1del name 對象"皮卡丘"的引用計(jì)數(shù)器-1def run(arg): print(arg) run(nickname) # 剛開始執(zhí)行函數(shù)時,對象”皮卡丘“引用計(jì)數(shù)器+1,當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完畢之后,對象引用計(jì)數(shù)器-1name_list = ["張三","法外狂徒",name] # 對象”皮卡丘“的引用計(jì)數(shù)器+1
但是這樣還是存在一個BUG,當(dāng)出現(xiàn)循環(huán)引用的時候,就會無法正常的回收一些數(shù)據(jù),例如
v1 = [11,22,33] # refchain中創(chuàng)建一個列表對象,由于v1=對象,所以列表引對象用計(jì)數(shù)器為1. v2 = [44,55,66] # refchain中再創(chuàng)建一個列表對象,因v2=對象,所以列表對象引用計(jì)數(shù)器為1. v1.append(v2) # 把v2追加到v1中,則v2對應(yīng)的[44,55,66]對象的引用計(jì)數(shù)器加1,最終為2. v2.append(v1) # 把v1追加到v1中,則v1對應(yīng)的[11,22,33]對象的引用計(jì)數(shù)器加1,最終為2. del v1 # 引用計(jì)數(shù)器-1del v2 # 引用計(jì)數(shù)器-1
對于上面的代碼,執(zhí)行del操作之后,沒有變量再會去使用那兩個列表對象,但由于循環(huán)引用的問題,他們的引用計(jì)數(shù)器不為0,所以他們的狀態(tài):永遠(yuǎn)不會被使用、也不會被銷毀。項(xiàng)目中如果這種代碼太多,就會導(dǎo)致內(nèi)存一直被消耗,直到內(nèi)存被耗盡,程序崩潰。
1.3標(biāo)記清除&分代回收
標(biāo)記清除:創(chuàng)建特殊鏈表專門用于保存 列表、元組、字典、集合、自定義類等對象,之后再去檢查這個鏈表中的對象是否存在循環(huán)引用,如果存在則讓雙方的引用計(jì)數(shù)器均 - 1 。
分代回收:對標(biāo)記清楚中的鏈表進(jìn)行優(yōu)化,將那些可能存在循環(huán)引用的對象拆分到3個鏈表,鏈表成為0/1/2三代,每代都可以存儲對象和閾值,當(dāng)達(dá)到閾值時,就會對相應(yīng)的鏈表中的每個對象做一次掃描,除循環(huán)引用各自減1并且銷毀引用計(jì)數(shù)器為0的對象。`
// 分代的C源碼#define NUM_GENERATIONS 3struct 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};
0代,count表示0代鏈表中對象的數(shù)量,threshold表示0代鏈表對象個數(shù)閾值,超過則執(zhí)行一次0代掃描檢查。
1代,count表示0代鏈表掃描的次數(shù),threshold表示0代鏈表掃描的次數(shù)閾值,超過則執(zhí)行一次1代掃描檢查。
2代,count表示1代鏈表掃描的次數(shù),threshold表示1代鏈表掃描的次數(shù)閾值,超過則執(zhí)行一2代掃描檢查。
1.4緩存機(jī)制
實(shí)際上他不是這么的簡單粗暴,因?yàn)榉磸?fù)的創(chuàng)建和銷毀會使程序的執(zhí)行效率變低。Python中引入了“緩存機(jī)制”機(jī)制。
例如:引用計(jì)數(shù)器為0時,不會真正銷毀對象,而是將他放到一個名為free_list的鏈表中,之后會再創(chuàng)建對象時不會在重新開辟內(nèi)存,而是在free_list中將之前的對象來并重置內(nèi)部的值來使用。
float類型,維護(hù)的free_list鏈表最多可緩存100個float對象。
1. `v1 = 3.14 # 開辟內(nèi)存來存儲float對象,并將對象添加到refchain鏈表。` 2. `print( id(v1) ) # 內(nèi)存地址:4436033488` 3. `del v1 # 引用計(jì)數(shù)器-1,如果為0則在rechain鏈表中移除,不銷毀對象,而是將對象添加到float的free_list.` 4. `v2 = 9.999 # 優(yōu)先去free_list中獲取對象,并重置為9.999,如果free_list為空才重新開辟內(nèi)存。` 5. `print( id(v2) ) # 內(nèi)存地址:4436033488` 7. `# 注意:引用計(jì)數(shù)器為0時,會先判斷free_list中緩存?zhèn)€數(shù)是否滿了,未滿則將對象緩存,已滿則直接將對象銷毀。`
int類型,不是基于free_list,而是維護(hù)一個small_ints鏈表保存常見數(shù)據(jù)(小數(shù)據(jù)池),小數(shù)據(jù)池范圍:-5 <= value < 257。即:重復(fù)使用這個范圍的整數(shù)時,不會重新開辟內(nèi)存。
v1 = 38 # 去小數(shù)據(jù)池small_ints中獲取38整數(shù)對象,將對象添加到refchain并讓引用計(jì)數(shù)器+1。 print( id(v1)) #內(nèi)存地址:4514343712 v2 = 38 # 去小數(shù)據(jù)池small_ints中獲取38整數(shù)對象,將refchain中的對象的引用計(jì)數(shù)器+1。 print( id(v2) ) #內(nèi)存地址:4514343712 # 注意:在解釋器啟動時候-5~256就已經(jīng)被加入到small_ints鏈表中且引用計(jì)數(shù)器初始化為1,代碼中使用的值時直接去small_ints中拿來用并將引用計(jì)數(shù)器+1即可。另外,small_ints中的數(shù)據(jù)引用計(jì)數(shù)器永遠(yuǎn)不會為0(初始化時就設(shè)置為1了),所以也不會被銷毀。
str類型,維護(hù)unicode_latin1[256]鏈表,內(nèi)部將所有的ascii字符緩存起來,以后使用時就不再反復(fù)創(chuàng)建。
v1 = "A" print( id(v1) ) # 輸出:4517720496 del v1 v2 = "A" print( id(v1) ) # 輸出:4517720496 # 除此之外,Python內(nèi)部還對字符串做了駐留機(jī)制,針對那么只含有字母、數(shù)字、下劃線的字符串(見源碼Objects/codeobject.c),如果內(nèi)存中已存在則不會重新在創(chuàng)建而是使用原來的地址里(不會像free_list那樣一直在內(nèi)存存活,只有內(nèi)存中有才能被重復(fù)利用)。 v1 = "wupeiqi" v2 = "wupeiqi" print(id(v1) == id(v2)) # 輸出:True
list類型,維護(hù)的free_list數(shù)組最多可緩存80個list對象。
v1 = [11,22,33] print( id(v1) ) # 輸出:4517628816 del v1 v2 = ["小豬","佩奇"] print( id(v2) ) # 輸出:4517628816
tuple類型,維護(hù)一個free_list數(shù)組且數(shù)組容量20,數(shù)組中元素可以是鏈表且每個鏈表最多可以容納2000個元組對象。元組的free_list數(shù)組在存儲數(shù)據(jù)時,是按照元組可以容納的個數(shù)為索引找到free_list數(shù)組中對應(yīng)的鏈表,并添加到鏈表中。
v1 = (1,2) print( id(v1) ) del v1 # 因元組的數(shù)量為2,所以會把這個對象緩存到free_list[2]的鏈表中。 v2 = ("小豬","佩奇") # 不會重新開辟內(nèi)存,而是去free_list[2]對應(yīng)的鏈表中拿到一個對象來使用。 print( id(v2) )
dict類型,維護(hù)的free_list數(shù)組最多可緩存80個dict對象。
v1 = {"k1":123} print( id(v1) ) # 輸出:4515998128 del v1 v2 = {"name":"武沛齊","age":18,"gender":"男"} print( id(v1) ) # 輸出:4515998128
2 C語言源碼分析
2.1兩個重要的結(jié)構(gòu)體
#define PyObject_HEAD PyObject ob_base;#define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;// 宏定義,包含 上一個、下一個,用于構(gòu)造雙向鏈表用。(放到refchain鏈表中時,要用到)#define _PyObject_HEAD_EXTRA \ struct _object *_ob_next; \ struct _object *_ob_prev;typedef struct _object { _PyObject_HEAD_EXTRA // 用于構(gòu)造雙向鏈表 Py_ssize_t ob_refcnt; // 引用計(jì)數(shù)器 struct _typeobject *ob_type; // 數(shù)據(jù)類型} PyObject;typedef struct { PyObject ob_base; // PyObject對象 Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part,即:元素個數(shù) */} PyVarObject;
這兩個結(jié)構(gòu)體PyObject和PyVarObject是基石,他們保存這其他數(shù)據(jù)類型公共部分,例如:每個類型的對象在創(chuàng)建時都有PyObject中的那4部分?jǐn)?shù)據(jù);list/set/tuple等由多個元素組成對象創(chuàng)建時都有PyVarObject中的那5部分?jǐn)?shù)據(jù)。
2.2常見類型結(jié)構(gòu)體
平時我們在創(chuàng)建一個對象時,本質(zhì)上就是實(shí)例化一個相關(guān)類型的結(jié)構(gòu)體,在內(nèi)部保存值和引用計(jì)數(shù)器等。
float類型
typedef struct { PyObject_HEAD double ob_fval; } PyFloatObject;
int類型
struct _longobject { PyObject_VAR_HEAD digit ob_digit[1]; }; /* Long (arbitrary precision) integer object interface */ typedef struct _longobject PyLongObject; /* Revealed in longintrepr.h */
str類型
typedef struct { PyObject_HEAD Py_ssize_t length; /* Number of code points in the string */ Py_hash_t hash; /* Hash value; -1 if not set */ struct { unsigned int interned:2; /* Character size: - PyUnicode_WCHAR_KIND (0): * character type = wchar_t (16 or 32 bits, depending on the platform) - PyUnicode_1BYTE_KIND (1): * character type = Py_UCS1 (8 bits, unsigned) * all characters are in the range U+0000-U+00FF (latin1) * if ascii is set, all characters are in the range U+0000-U+007F (ASCII), otherwise at least one character is in the range U+0080-U+00FF - PyUnicode_2BYTE_KIND (2): * character type = Py_UCS2 (16 bits, unsigned) * all characters are in the range U+0000-U+FFFF (BMP) * at least one character is in the range U+0100-U+FFFF - PyUnicode_4BYTE_KIND (4): * character type = Py_UCS4 (32 bits, unsigned) * all characters are in the range U+0000-U+10FFFF * at least one character is in the range U+10000-U+10FFFF */ unsigned int kind:3; unsigned int compact:1; unsigned int ascii:1; unsigned int ready:1; unsigned int :24; } state; wchar_t *wstr; /* wchar_t representation (null-terminated) */ } PyASCIIObject; typedef struct { PyASCIIObject _base; Py_ssize_t utf8_length; /* Number of bytes in utf8, excluding the * terminating \0. */ char *utf8; /* UTF-8 representation (null-terminated) */ Py_ssize_t wstr_length; /* Number of code points in wstr, possible * surrogates count as two code points. */ } PyCompactUnicodeObject; typedef struct { PyCompactUnicodeObject _base; union { void *any; Py_UCS1 *latin1; Py_UCS2 *ucs2; Py_UCS4 *ucs4; } data; /* Canonical, smallest-form Unicode buffer */ } PyUnicodeObject;
list類型
typedef struct { PyObject_VAR_HEAD PyObject **ob_item; Py_ssize_t allocated; } PyListObject;
tuple類型
typedef struct { PyObject_VAR_HEAD PyObject *ob_item[1]; } PyTupleObject;
dict類型
typedef struct { PyObject_HEAD Py_ssize_t ma_used; PyDictKeysObject *ma_keys; PyObject **ma_values; } PyDictObject;
通過常見結(jié)構(gòu)體可以基本了解到本質(zhì)上每個對象內(nèi)部會存儲的數(shù)據(jù)。
擴(kuò)展:在結(jié)構(gòu)體部分你應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了str類型比較繁瑣,那是因?yàn)閜ython字符串在處理時需要考慮到編碼的問題,在內(nèi)部規(guī)定(見源碼結(jié)構(gòu)體):
字符串只包含ascii,則每個字符用1個字節(jié)表示,即:latin1字符串包含中文等,則每個字符用2個字節(jié)表示,即:ucs2字符串包含emoji等,則每個字符用4個字節(jié)表示,即:ucs4
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