剖析 Python 面試知識點（二）- 內存管理和垃圾回收機制

1.內存管理

Python 中一切皆對象，對象又能夠分爲可變對象和不可變對象。兩者能夠經過原地修改，若是修改後地址不變，則是可變對象，不然爲不可變對象，地址信息能夠經過id()進行查看。

>>> a = 10
>>> id(a)
4339392960
>>> a =11
>>> id(a)
4339392992
>>> a = [1, 2]
>>> id(a)
4342877192
>>> a.append(3)
>>> a
[1, 2, 3]
>>> id(a)
4342877192
複製代碼

Python 有內存池機制，Pymalloc機制，用於對內存的申請和釋放管理。先來看一下爲何有內存池：

當建立大量消耗小內存的對象時，c中頻繁調用new/malloc會致使大量的內存碎片，導致效率下降。

內存池的概念就是預先在內存中申請必定數量的，大小相等的內存塊留做備用，當有新的內存需求時，就先從內存池中分配內存給這個需求，不夠了以後再申請新的內存。這樣作最顯著的優點就是可以減小內存碎片，提高效率。

查看源碼，能夠看到 Pymalloc 對於小的對象，Pymalloc會在內存池中申請空間，通常是少於256kb，若是是大的對象，則直接調用 new/malloc 來申請新的內存空間。

有了內存的建立，那就須要回收，垃圾回收機制，也是 Python 面試當中必問的一個知識點，接下來看看垃圾回收機制是什麼？

2. 垃圾回收機制

垃圾回收機制，Python 採用 GC 做爲自動內存管理機制，GC要作的有2件事，一是找到內存中無用的垃圾對象資源，二是清除找到的這些垃圾對象，釋放內存給其餘對象使用。

如何實現上述2點了，Python 採用了 引用計數 爲主， 標誌清除和分代回收 爲輔助策略。

2.1 引用計數

查看源碼，每個對象，在源碼裏就是一個結構體表示，都會有一個計數字段.

typedef struct_object {
 int ob_refcnt;
 struct_typeobject *ob_type;
} PyObject;
複製代碼

PyObject是每一個對象必有的內容，其中ob_refcnt就是作爲引用計數。當一個對象有新的引用時，它的ob_refcnt就會增長，當引用它的對象被刪除，它的ob_refcnt就會減小。 一旦對象的引用計數爲0，該對象當即被回收，對象佔用的內存空間將被釋放。

此算法的優勢和缺點都是很是明顯的：

優勢：

• 簡單
• 實時性：一旦沒有引用，內存就直接釋放了。不用像其餘機制等到特定時機。

缺點:

• 須要額外的空間維護引用計數。
• 不能解決對象的循環引用。(主要缺點)

接下來講一下什麼是循環引用:

A和B相互引用並且沒有外部引用A與B中的任何一個。也就是對象之間互相應用，致使引用鏈造成一個環。

>>>>>>a = { } #對象A的引用計數爲 1
>>>b = { } #對象B的引用計數爲 1
>>>a['b'] = b  #B的引用計數增1
>>>b['a'] = a  #A的引用計數增1
>>>del a #A的引用減 1，最後A對象的引用爲 1
>>>del b #B的引用減 1, 最後B對象的引用爲 1
複製代碼

執行 del 後，A、B對象已經沒有任何引用指向這兩個對象，可是這兩個對象各包含一個對方對象的引用，雖然最後兩個對象都沒法經過其它變量來引用這兩個對象了，這對GC來講就是兩個非活動對象或者說是垃圾對象。理論上是須要被回收的。 按上面的引用計數原理，要計數爲0纔會回收，可是他們的引用計數並無減小到零。所以若是是使用引用計數法來管理這兩對象的話，他們並不會被回收，它會一直駐留在內存中，就會形成了內存泄漏（內存空間在使用完畢後未釋放）。

爲了解決對象的循環引用問題，Python 引入了標記清除和分代回收兩種GC機制。

2.2 標記清除

標記清除主要是解決循環引用問題。

標記清除算法是一種基於追蹤回收（tracing GC）技術實現的垃圾回收算法。 它分爲兩個階段：第一階段是標記階段，GC會把全部的 活動對象 打上標記，第二階段是把那些沒有標記的對象 非活動對象 進行回收。那麼GC又是如何判斷哪些是活動對象哪些是非活動對象的呢？

對象之間經過引用（指針）連在一塊兒，構成一個有向圖，對象構成這個有向圖的節點，而引用關係構成這個有向圖的邊。從根對象（root object）出發，沿着有向邊遍歷對象，可達的（reachable）對象標記爲活動對象，不可達的對象就是要被清除的非活動對象。根對象就是全局變量、調用棧、寄存器。

在上圖中，咱們把小黑圈視爲全局變量，也就是把它做爲root object，從小黑圈出發，對象1可直達，那麼它將被標記，對象二、3可間接到達也會被標記，而4和5不可達，那麼一、二、3就是活動對象，4和5是非活動對象會被GC回收。

標記清除算法做爲 Python 的輔助垃圾收集技術主要處理的是容器對象(container，上面講迭代器有提到概念，能夠點擊此連接查看迭代器章節，好比list、dict、tuple等，由於對於字符串、數值對象是不可能形成循環引用問題。Python使用一個雙向鏈表將這些容器對象組織起來。

Python 這種簡單粗暴的標記清除算法也有明顯的缺點：清除非活動的對象前它必須順序掃描整個堆內存，哪怕只剩下小部分活動對象也要掃描全部對象。

2.3 分代回收

分代回收是一種以空間換時間的操做方式。

Python將內存根據對象的存活時間劃分爲不一樣的集合，每一個集合稱爲一個代，Python將內存分爲了3「代」，分別爲年輕代（第0代）、中年代（第1代）、老年代（第2代），他們對應的是3個鏈表，它們的垃圾收集頻率與對象的存活時間的增大而減少。新建立的對象都會分配在年輕代，年輕代鏈表的總數達到上限時，Python垃圾收集機制就會被觸發，把那些能夠被回收的對象回收掉，而那些不會回收的對象就會被移到中年代去，依此類推，老年代中的對象是存活時間最久的對象，甚至是存活於整個系統的生命週期內。同時，分代回收是創建在標記清除技術基礎之上。

分代回收一樣做爲Python的輔助垃圾收集技術處理容器對象。

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