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Python垃圾回收机制的原理

2023-06-01 23:35

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本篇内容介绍了“Python垃圾回收机制的原理”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!

  引用计数器为主

  标记清除和分代回收为辅

  + 缓存机制

  1. 引用计数器

  1.1 环状双向链表 refchain

  在python程序中创建的任何对象都会放在refchain链表中。

  #define PyObject_HEAD PyObject ob_base;

  #define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;

  // 宏定义,包含 上一个、下一个,用于构造双向链表用。(放到refchain链表中时要用到)

  #define _PyObject_HEAD_EXTRA \

  struct _object *_ob_next; \

  struct _object *_ob_prev;

  name = "阿玮"

  age = 18

  hobby = ["健身", "美女"]

  内部会创建一些数据 [ 上一个对象、下一个对象、类型、引用个数 ]

  name = "阿玮"

  new = name # 引用个数变成2

  内部会创建一些数据 [ 上一个对象、下一个对象、类型、引用个数、val=18 ]

  age = 18

  内部会创建一些数据 [ 上一个对象、下一个对象、类型、引用个数、items=元素、元素个数 ]

  hobby = ["健身", "美女"]

  #define PyObject_HEAD PyObject ob_base;

  #define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;

  // 宏定义,包含 上一个、下一个,用于构造双向链表用。(放到refchain链表中时要用到)

  #define _PyObject_HEAD_EXTRA \

  struct _object *_ob_next; \

  struct _object *_ob_prev;

  typedef struct _object {

  _PyObject_HEAD_EXTRA; // 用于构造双向链表

  Py_ssize_t ob_refcnt; // 引用计数器

  struct _typeobject *ob_type; // 数据类型

  } PyObject;

  typedef struct {

  PyObject ob_base; // PyObject对象

  Py_ssize_t ob_size; // Number of items in variable part,即:元素个数

  } PyVarObject;

  在C源码中如何体现每个对象中都有的相同的值:PyObject结构体(4个值)。

  有多个元素组成的对象:PyObject结构体(4个值)+ ob_size = PyVarObject。

  1.2 类型封装结构体

  float类型

  typedef struct {

  PyObject_HEAD;

  double ob_fval;

  };

  data = 3.14;

  内部会创建:

  _ob_next = refchain中的下一个对象

  _ob_prev = refchain中的上一个对象

  ob_refcnt = 1

  ob_type = float

  ob_fval = 3.14

  int类型

  struct _longobect {

  PyObject_VAR_HEAD;

  digit ob_dit[1];

  };

  

  typedef struct _longobject PyLongObject;

  list类型

  typedef struct {

  PyObject_VAR_HEAD;

  PyObject ** ob_item;

  Py_ssize_t allocated;

  } PyListObject;

  tuple类型

  typedef struct {

  PyObject_VAR_HEAD;

  PyObject *ob_item[1];

  } PyTupleObject;

  dict类型

  typedef struct {

  PyObject_HEAD;

  Py_ssize_t ma_used;

  PyDictKeyObject *ma_keys;

  PyObject **ma_values;

  } PyDictObject;

  1.3 引用计数器

  v1 = 3.14

  v2 = 999

  v3 = (1,2,3)

  当python程序运行时,会根据数据类型的不同找到其结构体,根据结构体中的字段来进行创建相关的数据,然后将对象添加到refchain双向链表中。

  在C源码中有两个关键的结构体:PyObject、PyVarObject。

  每个对象中有 ob_refcnt 就是引用计数器,值默认为1,当有其他变量引用这个对象时,引用计数器就会发生变化。

  引用

  a = 99999

  b = a

  # 此时 99999 这个对象引用计数器的值为2

  '''

  下面情况会导致引用计数器+1:

  1.对象被创建,如 a = 2

  2.对象被引用,如 b = a

  3.对象被作为参数,传入到一个函数中

  4.对象作为一个元素,存储在容器中

  可以通过sys包中的getrefcount()来获取一个名称所引用的对象当前的引用计数器的值(注意这里getrefcount()本身会使得引用计数器+1)

  '''

  删除引用

  a = 99999

  b = a

  # b变量删除,b对应对象的引用计数器-1

  def b

  # a变量删除,a对应对象的引用计数器-1

  '''

  下面情况会导致引用计数器-1:

  1.变量被显示销毁 del

  2.变量被赋予新的对象

  3.一个对象离开它的作用域

  4.对象所在的容器被销毁或从容器中删除对象

  '''

  # 当一个对象的引用计数器为0时,意味着没有人再使用这个对象了,这个对象就是垃圾,垃圾回收。

  # 回收:1.对象从rechain链表移出。2.将对象销毁,内存归还。

  1.4 循环引用问题

  由于 v1 指向的对象引用了 v2,v2 指向的对象也引用了 v1,当将 v1、v2 两个变量删除时,虽然引用计数器会减1,但是两个对象间还存在循环引用,而此时已经没有变量能去指向它们,这两个对象就会在内存中常驻无法处理。

  2. 标记清除

  目的:为了解决引用计数器循环引用的问题。

  实现:在python的底层再维护一个链表,链表中专门放哪些可能存在循环应用的对象(容器类对象:list、tuple、dict、set)。

  在Python内部某种情况下触发,会去扫描可能存在循环引用的链表中的每个元素,检查是否有循环引用,如果有则让双方的引用计数器-1;如果是0则垃圾回收。

  2.1 标记阶段

  遍历所有对象,如果是可达的(reachable),也就是还有对象引用它,那么就将该对象标记为可达

  该阶段从某个对象开始扫描(而不是从变量),如果变量A引用了变量B,则将变量B的引用计数器-1(指的是gc_ref),然后扫描变量B郑州人流手术医院 http://wap.zyfuke.com/

  如图所示,link1、link2、link3形成了一个引用环,link4自引用。从link1开始扫描,link1引用了link2,则link2的gc_ref-1,接着扫描link2…

  像这也将链表中所有对象考察一遍后,两个链表中的对象ref_count和gc_ref图如所示,这一步操作就相当于解除了循环引用对引用计数器的影响

  如果gc_ref为0,则将对象标记为 GC_TENTATIVELY_UNREACHABLE,并且被移至”Unreachable“链表中,如下图link3、link4(我觉得link2应该也是)

  如果gc_ref不为0,那么这个对象会被标记为可达的GC_REACHABLE,同时当gc发现有一个节点是可达的,那么它会递归式的从该节点触发将所有可达的节点标记为GC_REACHABLE,这样把link2、link3救回来

  2.2 清除阶段

  将被标记成 GC_UNREACHABLE 的对象销毁,内存归还(也就是Unreachable链表中的对象)

  2.3 标记清除的问题

  在标记清除算法开始后,会暂停整个应用程序,等待标记清除结束后才会恢复应用的运行,且对循环引用的扫描代价大,每次扫描耗时可能很久

  3. 分代回收

  将可能存在循环引用的对象维护成3个链表:

  0代:0代中对象个数达到700个扫描一次

  1代:0代扫描10次,则1代扫描一次

  2代:1代扫描10次,则2代扫描一次

  4. 小结

  在python中维护了一个refchain的双向环状链表,这个链表中存储程序创建的所有对象,每种类型的对象都有一个ob_refcnt引用计数器的值,当引用计数器变为0时会进行垃圾回收(对象销毁、refchain中移出)。

  但是,在python中对于那些可以有多个元素组成的对象可能会存在循环引用的问题,为了解决这个问题,python又引入了标记清除和分代回收,在其内部维护了4个链表,分别为:

  refchain

  2代

  1代

  0代

  在源码内部,当达到各自的阈值时,就会触发扫描链表进行标记清除的动作(有循环引用则各自-1)。

  But,源码内部在上述流程中提出了优化机制。

“Python垃圾回收机制的原理”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注编程网网站,小编将为大家输出更多高质量的实用文章!

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