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Python 垃圾回收機制

內(nèi)存管理

Python中的內(nèi)存管理機制的層次結(jié)構(gòu)提供了4層，其中***層則是C運行的malloc和free接口，往上的三層才是由Python實現(xiàn)并且維護的，***層則是在第0層的基礎(chǔ)之上對其提供的接口進行了統(tǒng)一的封裝，因為每個系統(tǒng)都可能差異性。 

內(nèi)存池

Python為了避免頻繁的申請和刪除內(nèi)存所造成系統(tǒng)切換于用戶態(tài)和核心態(tài)的性能問題，從而引入了內(nèi)存池機制，專門用來管理小內(nèi)存的申請和釋放。內(nèi)存池分為四層：block、pool、arena和內(nèi)存池。如下圖： 

block：有很多種block，不同種類的block都有不同的內(nèi)存大小，申請內(nèi)存的時候只需要找到適合自身大小的block即可，當(dāng)然申請的內(nèi)存也是存在一個上限，如果超過這個上限，則退化到使用***層的malloc進行申請。

pool：一個pool管理著一堆有固定大小的內(nèi)存塊，其大小通常為一個系統(tǒng)內(nèi)存頁的大小。

arena：多個pool組合成一個arena。

內(nèi)存池：一個整體的概念。

垃圾回收

Python的GC模塊主要運用了引用計數(shù)來跟蹤和回收垃圾。在引用計數(shù)的基礎(chǔ)上，還可以通過“標記-清除”解決容器對象可能產(chǎn)生的循環(huán)引用的問題。通過分代回收以空間換取時間進一步提高垃圾回收的效率。

引用計數(shù)

原理：當(dāng)一個對象的引用被創(chuàng)建或者復(fù)制時，對象的引用計數(shù)加1;當(dāng)一個對象的引用被銷毀時，對象的引用計數(shù)減1，當(dāng)對象的引用計數(shù)減少為0時，就意味著對象已經(jīng)再沒有被使用了，可以將其內(nèi)存釋放掉。

優(yōu)點：引用計數(shù)有一個很大的優(yōu)點，即實時性，任何內(nèi)存，一旦沒有指向它的引用，就會被立即回收，而其他的垃圾收集技術(shù)必須在某種特殊條件下才能進行無效內(nèi)存的回收。

缺點：但是它也有弱點，引用計數(shù)機制所帶來的維護引用計數(shù)的額外操作與Python運行中所進行的內(nèi)存分配和釋放，引用賦值的次數(shù)是成正比的，這顯然比其它那些垃圾收集技術(shù)所帶來的額外操作只是與待回收的內(nèi)存數(shù)量有關(guān)的效率要高。同時，引用技術(shù)還存在另外一個很大的問題-循環(huán)引用，因為對象之間相互引用，每個對象的引用都不會為0，所以這些對象所占用的內(nèi)存始終都不會被釋放掉。如下：

標記-清除

標記-清除的出現(xiàn)打破了循環(huán)引用，也就是它只關(guān)注那些可能會產(chǎn)生循環(huán)引用的對象，顯然，像是PyIntObject、PyStringObject這些不可變對象是不可能產(chǎn)生循環(huán)引用的，因為它們內(nèi)部不可能持有其它對象的引用。Python中的循環(huán)引用總是發(fā)生在container對象之間，也就是能夠在內(nèi)部持有其它對象的對象，比如list、dict、class等等。這也使得該方法帶來的開銷只依賴于container對象的的數(shù)量。

原理：將集合中對象的引用計數(shù)復(fù)制一份副本，這個計數(shù)副本的作用是尋找root object集合(該集合中的對象是不能被回收的)。當(dāng)成功尋找到root object集合之后，首先將現(xiàn)在的內(nèi)存鏈表一分為二，一條鏈表中維護root object集合，成為root鏈表，而另外一條鏈表中維護剩下的對象，成為unreachable鏈表。一旦在標記的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的unreachable可能存在被root鏈表中直接或間接引用的對象，就將其從unreachable鏈表中移到root鏈表中;當(dāng)完成標記后，unreachable鏈表中剩下的所有對象就是名副其實的垃圾對象了，接下來的垃圾回收只需限制在unreachable鏈表中即可。

缺點：該機制所帶來的額外操作和需要回收的內(nèi)存塊成正比。

分代

原理：將系統(tǒng)中的所有內(nèi)存塊根據(jù)其存活時間劃分為不同的集合，每一個集合就成為一個“代”，垃圾收集的頻率隨著“代”的存活時間的增大而減小。也就是說，活得越長的對象，就越不可能是垃圾，就應(yīng)該減少對它的垃圾收集頻率。那么如何來衡量這個存活時間：通常是利用幾次垃圾收集動作來衡量，如果一個對象經(jīng)過的垃圾收集次數(shù)越多，可以得出：該對象存活時間就越長。