Python 爲了提高性能，竟運用了共享經濟

你們或許知道，Python 爲了提升內存的利用效率，採用了一套共用對象內存的分配策略。

例如，對於那些數值較小的數字對象（[-5, 256]）、布爾值對象、None 對象、較短的字符串對象（**一般** 是 20）等等，字面量相等的對象其實是同一個對象。

# 共用內存地址的例子
a = 100
b = 100
s = "python_cat"
t = "python_cat"

id(a) == id(b) # 結果：True
id(s) == id(t) # 結果：True複製代碼

我很早的時候曾寫過一篇《Python中的「特權種族」是什麼？》，把這些對象統稱爲「特權種族」，它們是 Python 在內存管理機制上使用的優化技巧。

前不久，我還寫了一篇《Python 內存分配時的小祕密》，也是介紹內存管理的技巧。

這兩篇文章有所區別：舊文主要涉及了內存共用與對象駐留的機制，而新文介紹的是內存分配、動態擴容以及內存回收的相關機制。

它們令我不禁自主地想到兩個詞：共享經濟與供需平衡。

若是你沒有讀過那兩篇文章，我強烈建議你先回看一下，而後再看看個人聯想是否有道理：那幾類特權種族對象實際上是在共享內存，表面上的不一樣對象，實際上是在循環利用；至於供需平衡也好理解，建立某些對象時，按照預期的訴求去分配內存，在擴容時則靈活調節，達到了供需之間的平衡。

透過現象看本質，Python 能夠頗有趣。

可是，Python 的有趣之處還不止於此，本文要繼續分享另外一種內存管理機制，在某種程度上，它實現了共享經濟與供需平衡的融合，咱們從中可揭開 Python 的另外一重身份……

一、不可變對象的共享經濟

上面列出的"特權種族"都是不可變對象（而「供需平衡」主要出現於可變對象），對於這些不變的對象，當出現多處使用時，共用一個對象彷佛是種不錯的優化方法。

我曾有一種猜測：Python 的不可變對象均可能是特權種族。

我沒有試圖去徹底證明它，本文只想考察其中一種不可變對象：元組。它是不可變對象，那麼，是否有共用對象的機制呢？

下面把它跟列表做一下對比：

# 空對象的差異
a = []
b = []
c = ()
d = ()

print(id(a)==id(b))  # 結果：False
print(id(c)==id(d))  # 結果：True複製代碼

因而可知，兩個空列表是不一樣的對象，而兩個空元組實際上是同一個對象。這至少說明了，空元組在內存中只有一個，它屬於已提到的特權種族。

將實驗延伸到集合與字典，它們是可變對象，你會發現結果跟列表同樣，存在多個副本，即不是特權種族。我就不舉例了。

由上述的實驗結果，還能引出兩個問題，可是它們偏離了本文主題，我不打算深刻辨析，簡單列一下：

• 除了空元組，還有什麼樣的元組是「特權種族」？（PS：從元素的數量、類型、元素自身的大小考慮，就我小範圍試驗，還沒發現。因此，空元組是獨特的惟一？）
• 編譯期與運行期有所區別，這在以前寫字符串的 intern 機制時（《Intern機制的軟肋》）也分析過。（PS：print(id([]) == id([]))，結果爲 True，與上例先賦值再比較不一樣。）

二、可變對象的共享經濟

空元組體現了共享經濟，但因爲它是不可變對象，因此不存在動態擴容，就只體現了極少的供需平衡。

做爲對照，列表等可變對象充分表現了供需平衡，卻彷佛沒辦法體現共享經濟。

好比說，咱們把一個列表想象成一個可自增的杯子（畢竟它是某種容器），再把它的元素想象成不一樣種類的液體（水、可樂、酒……）。

那麼，咱們的問題是：兩杯東西是否能夠共享爲一個對象呢？或者說，有沒有可能共享那隻杯子呢？這樣就能夠節省內存（在那篇講小祕密的文章中展現過：「空杯子」佔用的內存可很多），提高效率啦。

對於第一個問題，答案爲否，驗證過程略。對於第二個問題，在上一節中，咱們已驗證過兩個空杯子（即空列表），答案也爲否。

可是，第二個問題還有其它的可能！下面讓咱們換一種實驗方法：

# 實驗版本：Python 3.6.1
a = [[] for i in range(4)]
print(id(a))

for i in range(len(a)):
    print(f'{i} -- {id(a[i])}')
    # a[i] = 1 # PS：可去除註釋，再執行一次，結果的順序有差異

del a
print("after del")

b = [[] for i in range(4)]
print(id(b))

for i in range(len(b)):
    print(f'{i} -- {id(b[i])}')複製代碼

以上代碼在不一樣環境中，執行結果可能有所差別。我執行的一次結果以下：

2012909395656
0 -- 2012909395272
1 -- 2012909406472
2 -- 2012909395208
3 -- 2012909395144
after del
2012909395656
0 -- 2012909395272
1 -- 2012909406472
2 -- 2012909395208
3 -- 2012909395144複製代碼

分析結果可知：列表對象在被回收以後，並不會完全消除，它的內存地址會傳遞給新建立的列表，也就是說，新建立的列表其實共享了舊列表的內存地址！

再結合前面的例子，咱們能夠說，前後靜態建立的兩個列表會分配不一樣的內存地址，可是，通過動態回收以後，前後建立的列表多是同一個內存地址！（注意：這裏說的是「可能」，由於在新列表建立前，如有其它地方也在建立列表，那後者可能奪去先機。）

延伸到其它基本的可變對象，例如集合與字典，也有一樣的共享策略，其目的顯而易見：循環利用這些對象的「殘軀」，能夠避免內存碎片，提升執行性能。

共享一隻杯子，總比從新創造一隻杯子，要更高效便捷，對吧？

Python 解釋器在實現這個機制時，使用了一個叫作free_list 的全局變量，其工做原理是：

• 當建立新的對象時，則檢查 free_list 內是否有可用對象，有則取出使用，沒有則建立
• 當這些對象被析構時，則檢查 free_list 是否有剩餘空間，有則存入其中
• 某類對象存入 free_list 時，只保留「軀殼」，而清空其內部全部的元素（即只共享杯子，不共享杯中物）

圖片來源：https://dwz.cn/QWD6RxOx

好了，如今咱們能夠說，列表、集合與字典這些可變對象，它們都不是前文所說的特權種族，可是，在它們背後都藏着循環使用的共享思想，這一點倒是相通的。

Python 解釋器在內存管理上真是煞費苦心啊，在那些司空見慣的基本對象上，它施加了諸多的小魔法，在咱們絕不覺察的時候，它們有條不紊地運做，而當咱們終於見識清楚後，就不得不感嘆它的精妙了。

Python 算得上是一個精打細算的「經濟學家」了。

回顧全文，最後做一個小結：

• 較小的數字、較短的字符串、布爾值與空元組等不可變對象，它們存在着「共享經濟」的機制，提高了內存的使用效率
• 列表、集合與字典等可變對象，它們存在着預分配及超額分配等「供需平衡」的機制，提高了內存的分配效率
• 列表等對象還存在着共享「容器外殼」的機制，循環利用空閒資源，綜合提高程序性能

PS：本文寫做過半時，我以爲應該把它寫入「喵星來客」系列，但思前想後，最終做罷了（主要是懶）。它們的思辨力及洞察力是一脈相承的，若你喜歡本文的話，我推薦閱讀「喵星來客」系列（其中兩篇）：

Python對象的身份迷思：從全體公民到萬物皆數

Python對象的空間邊界：獨善其身與開放包容

公衆號【Python貓】， 本號連載優質的系列文章，有喵星哲學貓系列、Python進階系列、好書推薦系列、技術寫做、優質英文推薦與翻譯等等，歡迎關注哦。