python垃圾回收机制的原理

Posted 2021-02-28 游走的提莫

前言

　　关于研究原理这件事，简单的事重复做，好好做，专研，那就是领域的专家，枯燥的技术，持之以恒的坚持。

　　现在的高级语言如java，c#等，都采用了垃圾收集机制，而不再是c，c++里用户自己管理维护内存的方式。自己管理内存极其自由，可以任意申请内存，但如同一把双刃剑，为大量内存泄露，悬空指针等bug埋下隐患。
对于一个字符串、列表、类甚至数值都是对象，且定位简单易用的语言，自然不会让用户去处理如何分配回收内存的问题。
python里也同java一样采用了垃圾收集机制，不过不一样的是:
python采用的是引用计数机制为主，标记-清除和分代收集两种机制为辅的策略

1. 白话垃圾回收

用通俗的语言解释内存管理和垃圾回收的过程，搞懂这一部分就可以去面试、去装逼了…

1.1 大管家refchain

在Python的C源码中有一个名为refchain的环状双向链表，这个链表比较牛逼了，因为Python程序中一旦创建对象都会把这个对象添加到refchain这个链表中。也就是说他保存着所有的对象。例如：

1. age = 18
2. name = "武沛齐"

1.2 引用计数器

在refchain中的所有对象内部都有一个ob_refcnt用来保存当前对象的引用计数器，顾名思义就是自己被引用的次数，例如：

1. age = 18
2. name = "武沛齐"
3. nickname = name

上述代码表示内存中有 18 和 “武沛齐” 两个值，他们的引用计数器分别为：1、2 。

当值被多次引用时候，不会在内存中重复创建数据，而是引用计数器+1 。 当对象被销毁时候同时会让引用计数器-1,如果引用计数器为0，则将对象从refchain链表中摘除，同时在内存中进行销毁（暂不考虑缓存等特殊情况）。

1. age = 18
2. number = age # 对象18的引用计数器 + 1
3. del age # 对象18的引用计数器 - 1
5. def run(arg):
6. print(arg)
8. run(number) # 刚开始执行函数时，对象18引用计数器 + 1，当函数执行完毕之后，对象18引用计数器 - 1 。
10. num_list = [11,22,number] # 对象18的引用计数器 + 1

1.3 标记清除&分代回收

基于引用计数器进行垃圾回收非常方便和简单，但他还是存在循环引用的问题，导致无法正常的回收一些数据，例如：

1. v1 = [11,22,33] # refchain中创建一个列表对象，由于v1=对象，所以列表引对象用计数器为1.
2. v2 = [44,55,66] # refchain中再创建一个列表对象，因v2=对象，所以列表对象引用计数器为1.
3. v1.append(v2) # 把v2追加到v1中，则v2对应的[44,55,66]对象的引用计数器加1，最终为2.
4. v2.append(v1) # 把v1追加到v1中，则v1对应的[11,22,33]对象的引用计数器加1，最终为2.
6. del v1 # 引用计数器-1
7. del v2 # 引用计数器-1

对于上述代码会发现，执行del操作之后，没有变量再会去使用那两个列表对象，但由于循环引用的问题，他们的引用计数器不为0，所以他们的状态：永远不会被使用、也不会被销毁。项目中如果这种代码太多，就会导致内存一直被消耗，直到内存被耗尽，程序崩溃。

为了解决循环引用的问题，引入了标记清除技术，专门针对那些可能存在循环引用的对象进行特殊处理，可能存在循环应用的类型有：列表、元组、字典、集合、自定义类等那些能进行数据嵌套的类型。

标记清除：创建特殊链表专门用于保存 列表、元组、字典、集合、自定义类等对象，之后再去检查这个链表中的对象是否存在循环引用，如果存在则让双方的引用计数器均 - 1 。

分代回收：对标记清除中的链表进行优化，将那些可能存在循引用的对象拆分到3个链表，链表称为：0/1/2三代，每代都可以存储对象和阈值，当达到阈值时，就会对相应的链表中的每个对象做一次扫描，除循环引用各自减1并且销毁引用计数器为0的对象。

1. // 分代的C源码
2. #define NUM_GENERATIONS 3
3. struct gc_generation generations[NUM_GENERATIONS] = {
4. /* PyGC_Head, threshold, count */
5. {{(uintptr_t)_GEN_HEAD(0), (uintptr_t)_GEN_HEAD(0)}, 700, 0}, // 0代
6. {{(uintptr_t)_GEN_HEAD(1), (uintptr_t)_GEN_HEAD(1)}, 10, 0}, // 1代
7. {{(uintptr_t)_GEN_HEAD(2), (uintptr_t)_GEN_HEAD(2)}, 10, 0}, // 2代
8. };

特别注意：0代和1、2代的threshold和count表示的意义不同。

• 0代，count表示0代链表中对象的数量，threshold表示0代链表对象个数阈值，超过则执行一次0代扫描检查。
• 1代，count表示0代链表扫描的次数，threshold表示0代链表扫描的次数阈值，超过则执行一次1代扫描检查。
• 2代，count表示1代链表扫描的次数，threshold表示1代链表扫描的次数阈值，超过则执行一2代扫描检查。

1.4 情景模拟

根据C语言底层并结合图来讲解内存管理和垃圾回收的详细过程。

第一步：当创建对象age=19时，会将对象添加到refchain链表中。

第二步：当创建对象num_list = [11,22]时，会将列表对象添加到 refchain 和 generations 0代中。

第三步：新创建对象使generations的0代链表上的对象数量大于阈值700时，要对链表上的对象进行扫描检查。

当0代大于阈值后，底层不是直接扫描0代，而是先判断2、1是否也超过了阈值。

• 如果2、1代未达到阈值，则扫描0代，并让1代的 count + 1 。
• 如果2代已达到阈值，则将2、1、0三个链表拼接起来进行全扫描，并将2、1、0代的count重置为0.
• 如果1代已达到阈值，则讲1、0两个链表拼接起来进行扫描，并将所有1、0代的count重置为0.

对拼接起来的链表在进行扫描时，主要就是剔除循环引用和销毁垃圾，详细过程为：

• 扫描链表，把每个对象的引用计数器拷贝一份并保存到 gc_refs中，保护原引用计数器。
• 再次扫描链表中的每个对象，并检查是否存在循环引用，如果存在则让各自的gc_refs减 1 。
• 再次扫描链表，将 gc_refs 为 0 的对象移动到unreachable链表中；不为0的对象直接升级到下一代链表中。
• 处理unreachable链表中的对象的 析构函数 和 弱引用，不能被销毁的对象升级到下一代链表，能销毁的保留在此链表。
  • 析构函数，指的就是那些定义了__del__方法的对象，需要执行之后再进行销毁处理。
  • 弱引用，
• 最后将 unreachable 中的每个对象销毁并在refchain链表中移除（不考虑缓存机制）。

至此，垃圾回收的过程结束。

1.5 缓存机制

从上文大家可以了解到当对象的引用计数器为0时，就会被销毁并释放内存。而实际上他不是这么的简单粗暴，因为反复的创建和销毁会使程序的执行效率变低。Python中引入了“缓存机制”机制。
例如：引用计数器为0时，不会真正销毁对象，而是将他放到一个名为 free_list 的链表中，之后会再创建对象时不会在重新开辟内存，而是在free_list中将之前的对象来并重置内部的值来使用。

• float类型，维护的free_list链表最多可缓存100个float对象。

  1. v1 = 3.14 # 开辟内存来存储float对象，并将对象添加到refchain链表。
  2. print( id(v1) ) # 内存地址：4436033488
  3. del v1 # 引用计数器-1，如果为0则在rechain链表中移除，不销毁对象，而是将对象添加到float的free_list.
  4. v2 = 9.999 # 优先去free_list中获取对象，并重置为9.999，如果free_list为空才重新开辟内存。
  5. print( id(v2) ) # 内存地址：4436033488
  7. # 注意：引用计数器为0时，会先判断free_list中缓存个数是否满了，未满则将对象缓存，已满则直接将对象销毁。

• int类型，不是基于free_list，而是维护一个small_ints链表保存常见数据（小数据池），小数据池范围：-5 <= value < 257。即：重复使用这个范围的整数时，不会重新开辟内存。

  1. v1 = 38 # 去小数据池small_ints中获取38整数对象，将对象添加到refchain并让引用计数器+1。
  2. print( id(v1)) #内存地址：4514343712
  3. v2 = 38 # 去小数据池small_ints中获取38整数对象，将refchain中的对象的引用计数器+1。
  4. print( id(v2) ) #内存地址：4514343712
  6. # 注意：在解释器启动时候-5~256就已经被加入到small_ints链表中且引用计数器初始化为1，代码中使用的值时直接去small_ints中拿来用并将引用计数器+1即可。另外，small_ints中的数据引用计数器永远不会为0（初始化时就设置为1了），所以也不会被销毁。

• str类型，维护unicode_latin1[256]链表，内部将所有的ascii字符缓存起来，以后使用时就不再反复创建。

  1. v1 = "A"
  2. print( id(v1) ) # 输出：4517720496
  3. del v1
  4. v2 = "A"
  5. print( id(v1) ) # 输出：4517720496
  7. # 除此之外，Python内部还对字符串做了驻留机制，针对那么只含有字母、数字、下划线的字符串（见源码Objects/codeobject.c），如果内存中已存在则不会重新在创建而是使用原来的地址里（不会像free_list那样一直在内存存活，只有内存中有才能被重复利用）。
  8. v1 = "wupeiqi"
  9. v2 = "wupeiqi"
  10. print(id(v1) == id(v2)) # 输出：True
• list类型，维护的free_list数组最多可缓存80个list对象。
  1. v1 = [11,22,33]
  2. print( id(v1) ) # 输出：4517628816
  3. del v1
  4. v2 = ["武","沛齐"]
  5. print( id(v2) ) # 输出：4517628816
• tuple类型，维护一个free_list数组且数组容量20，数组中元素可以是链表且每个链表最多可以容纳2000个元组对象。元组的free_list数组在存储数据时，是按照元组可以容纳的个数为索引找到free_list数组中对应的链表，并添加到链表中。
  1. v1 = (1,2)
  2. print( id(v1) )
  3. del v1 # 因元组的数量为2，所以会把这个对象缓存到free_list[2]的链表中。
  4. v2 = ("武沛齐","Alex") # 不会重新开辟内存，而是去free_list[2]对应的链表中拿到一个对象来使用。
  5. print( id(v2) )
• dict类型，维护的free_list数组最多可缓存80个dict对象。
  1. v1 = {"k1":123}
  2. print( id(v1) ) # 输出：4515998128
  3. del v1
  4. v2 = {"name":"武沛齐","age":18,"gender":"男"}
  5. print( id(v1) ) # 输出：4515998128

2. C语言源码分析

上文对Python的内存管理和垃圾回收进行了快速讲解，基本上已可以让你拿去装逼了。

接下来这一部分会让你更超神，我们要再在源码中来证实上文的内容。

2.1 两个重要的结构体

1. #define PyObject_HEAD PyObject ob_base;
2. #define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;
4. // 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)
5. #define _PyObject_HEAD_EXTRA
6. struct _object *_ob_next;
7. struct _object *_ob_prev;
9. typedef struct _object {
10. _PyObject_HEAD_EXTRA // 用于构造双向链表
11. Py_ssize_t ob_refcnt; // 引用计数器
12. struct _typeobject *ob_type; // 数据类型
13. } PyObject;
15. typedef struct {
16. PyObject ob_base; // PyObject对象
17. Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part，即：元素个数 */
18. } PyVarObject;

这两个结构体PyObject和PyVarObject是基石，他们保存这其他数据类型公共部分，例如：每个类型的对象在创建时都有PyObject中的那4部分数据；list/set/tuple等由多个元素组成对象创建时都有PyVarObject中的那5部分数据。

2.2 常见类型结构体

平时我们在创建一个对象时，本质上就是实例化一个相关类型的结构体，在内部保存值和引用计数器等。

• float类型
  1. typedef struct {
  2. PyObject_HEAD
  3. double ob_fval;
  4. } PyFloatObject;
• int类型
  1. struct _longobject {
  2. PyObject_VAR_HEAD
  3. digit ob_digit[1];
  4. };
  5. /* Long (arbitrary precision) integer object interface */
  6. typedef struct _longobject PyLongObject; /* Revealed in longintrepr.h */

• str类型

  1. typedef struct {
  2. PyObject_HEAD
  3. Py_ssize_t length; /* Number of code points in the string */
  4. Py_hash_t hash; /* Hash value; -1 if not set */
  5. struct {
  6. unsigned int interned:2;
  7. /* Character size:
  9. - PyUnicode_WCHAR_KIND (0):
  11. * character type = wchar_t (16 or 32 bits, depending on the
  12. platform)
  14. - PyUnicode_1BYTE_KIND (1):
  16. * character type = Py_UCS1 (8 bits, unsigned)
  17. * all characters are in the range U+0000-U+00FF (latin1)
  18. * if ascii is set, all characters are in the range U+0000-U+007F
  19. (ASCII), otherwise at least one character is in the range
  20. U+0080-U+00FF
  22. - PyUnicode_2BYTE_KIND (2):
  24. * character type = Py_UCS2 (16 bits, unsigned)
  25. * all characters are in the range U+0000-U+FFFF (BMP)
  26. * at least one character is in the range U+0100-U+FFFF
  28. - PyUnicode_4BYTE_KIND (4):
  30. * character type = Py_UCS4 (32 bits, unsigned)
  31. * all characters are in the range U+0000-U+10FFFF
  32. * at least one character is in the range U+10000-U+10FFFF
  33. */
  34. unsigned int kind:3;
  35. unsigned int compact:1;
  36. unsigned int ascii:1;
  37. unsigned int ready:1;
  38. unsigned int :24;
  39. } state;
  40. wchar_t *wstr; /* wchar_t representation (null-terminated) */
  41. } PyASCIIObject;
  43. typedef struct {
  44. PyASCIIObject _base;
  45. Py_ssize_t utf8_length; /* Number of bytes in utf8, excluding the
  46. * terminating . */
  47. char *utf8; /* UTF-8 representation (null-terminated) */
  48. Py_ssize_t wstr_length; /* Number of code points in wstr, possible
  49. * surrogates count as two code points. */
  50. } PyCompactUnicodeObject;
  52. typedef struct {
  53. PyCompactUnicodeObject _base;
  54. union {
  55. void *any;
  56. Py_UCS1 *latin1;
  57. Py_UCS2 *ucs2;
  58. Py_UCS4 *ucs4;
  59. } data; /* Canonical, smallest-form Unicode buffer */
  60. } PyUnicodeObject;
• list类型
  1. typedef struct {
  2. PyObject_VAR_HEAD
  3. PyObject **ob_item;
  4. Py_ssize_t allocated;
  5. } PyListObject;
• tuple类型
  1. typedef struct {
  2. PyObject_VAR_HEAD
  3. PyObject *ob_item[1];
  4. } PyTupleObject;
• dict类型
  1. typedef struct {
  2. PyObject_HEAD
  3. Py_ssize_t ma_used;
  4. PyDictKeysObject *ma_keys;
  5. PyObject **ma_values;
  6. } PyDictObject;

通过常见结构体可以基本了解到本质上每个对象内部会存储的数据。

扩展：在结构体部分你应该发现了str类型比较繁琐，那是因为python字符串在处理时需要考虑到编码的问题，在内部规定（见源码结构体）：

• 字符串只包含ascii，则每个字符用1个字节表示，即：latin1

• 字符串包含中文等，则每个字符用2个字节表示，即：ucs2

• 字符串包含emoji等，则每个字符用4个字节表示，即：ucs4

2.3 Float类型

2.3.1 创建

1. val = 3.14

类似于这样创建一个float对象时，会执行C源码中的如下代码：

1. // Objects/floatobject.c
3. // 用于缓存float对象的链表
4. static PyFloatObject *free_list = NULL;
5. static int numfree = 0;
7. PyObject *
8. PyFloat_FromDouble(double fval)
9. {
10. // 如果free_list中有可用对象，则从free_list链表拿出来一个；否则为对象重新开辟内存。
11. PyFloatObject *op = free_list;
12. if (op != NULL) {
13. free_list = (PyFloatObject *) Py_TYPE(op);
14. numfree--;
15. } else {
16. // 根据float类型的大小，为float对象新开辟内存。
17. op = (PyFloatObject*) PyObject_MALLOC(sizeof(PyFloatObject));
18. if (!op)
19. return PyErr_NoMemory();
20. }
21. // 对float对象进行初始化，例如：引用计数器初始化为1、添加到refchain链表等。
22. /* Inline PyObject_New */
23. (void)PyObject_INIT(op, &PyFloat_Type);
25. // 对float对象赋值。即：op->ob_fval = 3.14
26. op->ob_fval = fval;
27. return (PyObject *) op;
28. }

1. // Include/objimpl.h
3. #define PyObject_INIT(op, typeobj)
4. ( Py_TYPE(op) = (typeobj), _Py_NewReference((PyObject *)(op)), (op) )

1. // Objects/object.c
3. // 维护了所有对象的一个环状双向链表
4. static PyObject refchain = {&refchain, &refchain};
7. void
8. _Py_AddToAllObjects(PyObject *op, int force)
9. {
11. if (force || op->_ob_prev == NULL) {
12. op->_ob_next = refchain._ob_next;
13. op->_ob_prev = &refchain;
14. refchain._ob_next->_ob_prev = op;
15. refchain._ob_next = op;
16. }
17. }
19. void
20. _Py_NewReference(PyObject *op)
21. {
22. _Py_INC_REFTOTAL;
24. // 引用计数器初始化为1。
25. op->ob_refcnt = 1;
27. // 对象添加到双向链表refchain中。
28. _Py_AddToAllObjects(op, 1);
30. _Py_INC_TPALLOCS(op);
31. }

2.3.2 引用

1. val = 3.14
2. data = val

在项目中如果出现这种引用关系时，会将原对象的引用计数器+1。
C源码执行流程如下：

1. // Include/object.h
3. static inline void _Py_INCREF(PyObject *op)
4. {
5. _Py_INC_REFTOTAL;
6. // 对象的引用计数器 + 1
7. op->ob_refcnt++;
8. }
10. #define Py_INCREF(op) _Py_INCREF(_PyObject_CAST(op))

2.3.3 销毁

1. val = 3.14
2. del val

在项目中如果出现这种删除的语句，则内部会将引用计数器-1，如果引用计数器减为0，则进行缓存或垃圾回收。
C源码执行流程如下：

1. // Include/object.h
3. static inline void _Py_DECREF(const char *filename, int lineno,
4. PyObject *op)
5. {
6. (void)filename; /* may be unused, shut up -Wunused-parameter */
7. (void)lineno; /* may be unused, shut up -Wunused-parameter */
8. _Py_DEC_REFTOTAL;
9. // 引用计数器-1，如果引用计数器为0，则执行 _Py_Dealloc去缓存或垃圾回收。
10. if (--op->ob_refcnt != 0) {
11. #ifdef Py_REF_DEBUG
12. if (op->ob_refcnt < 0) {
13. _Py_NegativeRefcount(filename, lineno, op);
14. }
15. #endif
16. }
17. else {
18. _Py_Dealloc(op);
19. }
20. }
22. #define Py_DECREF(op) _Py_DECREF(__FILE__, __LINE__, _PyObject_CAST(op))

1. // Objects/object.c
3. void
4. _Py_Dealloc(PyObject *op)
5. {
6. // 找到float类型的 tp_dealloc 函数
7. destructor dealloc = Py_TYPE(op)->tp_dealloc;
9. // 在refchain双向链表中摘除此对象。
10. _Py_ForgetReference(op);
12. // 执行float类型的 tp_dealloc 函数，去进行缓存或垃圾回收。
13. (*dealloc)(op);
14. }
16. void
17. _Py_ForgetReference(PyObject *op)
18. {
19. ...
20. // 在refchain链表中移除此对象
21. op->_ob_next->_ob_prev = op->_ob_prev;
22. op->_ob_prev->_ob_next = op->_ob_next;
23. op->_ob_next = op->_ob_prev = NULL;
24. _Py_INC_TPFREES(op);
25. }

1. // Objects/floatobject.c
3. #define PyFloat_MAXFREELIST 100
4. static int numfree = 0;
5. static PyFloatObject *free_list = NULL;
7. // float类型中函数的对应关系
8. PyTypeObject PyFloat_Type = {
9. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
10. "float",
11. sizeof(PyFloatObject),
12. 0,
13. // tp_dealloc表示执行float_dealloc方法
14. (destructor)float_dealloc, /* tp_dealloc */
15. 0, /* tp_print */
16. ...
17. };
19. static void
20. float_dealloc(PyFloatObject *op)
21. {
22. // 检测是否是float类型
23. if (PyFloat_CheckExact(op)) {
25. // 检测free_list中缓存的个数是否已满，如果已满，则直接将对象销毁。
26. if (numfree >= PyFloat_MAXFREELIST) {
27. // 销毁
28. PyObject_FREE(op);
29. return;
30. }
31. // 将对象加入到free_list链表中
32. numfree++;
33. Py_TYPE(op) = (struct _typeobject *)free_list;
34. free_list = op;
35. }
36. else
37. Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
38. }

2.4 int类型

2.4.1 创建

1. age = 19

当在python中创建一个整型数据时，底层会触发他的如下源码:

1. PyObject *
2. PyLong_FromLong(long ival)
3. {
4. PyLongObject *v;
5. ...
6. // 优先去小数据池中检查，如果在范围内则直接获取不再重新开辟内存。（ -5 <= value < 257）
7. CHECK_SMALL_INT(ival);
8. ...
9. // 非小数字池中的值，重新开辟内存并初始化
10. v = _PyLong_New(ndigits);
11. if (v != NULL) {
12. digit *p = v->ob_digit;
13. Py_SIZE(v) = ndigits*sign;
14. t = abs_ival;
15. ...
16. }
17. return (PyObject *)v;
18. }
21. #define NSMALLNEGINTS 5
22. #define NSMALLPOSINTS 257
23. #define CHECK_SMALL_INT(ival)
24. do if (-NSMALLNEGINTS <= ival && ival < NSMALLPOSINTS) {
25. return get_small_int((sdigit)ival);
26. } while(0)
28. static PyObject *
29. get_small_int(sdigit ival)
30. {
31. PyObject *v;
32. v = (PyObject *)&small_ints[ival + NSMALLNEGINTS];
33. // 引用计数器 + 1
34. Py_INCREF(v);
35. ...
36. return v;
37. }
40. PyLongObject *
41. _PyLong_New(Py_ssize_t size)
42. {
43. // 创建PyLongObject的指针变量
44. PyLongObject *result;
45. ...
46. // 根据长度进行开辟内存
47. result = PyObject_MALLOC(offsetof(PyLongObject, ob_digit) +
48. size*sizeof(digit));
49. ...
50. // 对内存中的数据进行初始化并添加到refchain链表中。
51. return (PyLongObject*)PyObject_INIT_VAR(result, &PyLong_Type, size);
52. }

1. // Include/objimpl.h
3. #define PyObject_NewVar(type, typeobj, n)
4. ( (type *) _PyObject_NewVar((typeobj), (n)) )
6. static inline PyVarObject*
7. _PyObject_INIT_VAR(PyVarObject *op, PyTypeObject *typeobj, Py_ssize_t size)
8. {
9. assert(op != NULL);
10. Py_SIZE(op) = size;
11. // 对象初始化
12. PyObject_INIT((PyObject *)op, typeobj);
13. return op;
14. }
16. #define PyObject_INIT(op, typeobj)
17. _PyObject_INIT(_PyObject_CAST(op), (typeobj))
19. static inline PyObject*
20. _PyObject_INIT(PyObject *op, PyTypeObject *typeobj)
21. {
22. assert(op != NULL);
23. Py_TYPE(op) = typeobj;
24. if (PyType_GetFlags(typeobj) & Py_TPFLAGS_HEAPTYPE) {
25. Py_INCREF(typeobj);
26. }
27. // 对象初始化，并把对象加入到refchain链表。
28. _Py_NewReference(op);
29. return op;
30. }

1. // Objects/object.c
3. // 维护了所有对象的一个环状双向链表
4. static PyObject refchain = {&refchain, &refchain};
7. void
8. _Py_AddToAllObjects(PyObject *op, int force)
9. {
11. if (force || op->_ob_prev == NULL) {
12. op->_ob_next = refchain._ob_next;
13. op->_ob_prev = &refchain;
14. refchain._ob_next->_ob_prev = op;
15. refchain._ob_next = op;
16. }
17. }
19. void
20. _Py_NewReference(PyObject *op)
21. {
22. _Py_INC_REFTOTAL;
24. // 引用计数器初始化为1。
25. op->ob_refcnt = 1;
27. // 对象添加到双向链表refchain中。
28. _Py_AddToAllObjects(op, 1);
30. _Py_INC_TPALLOCS(op);
31. }

2.4.2 引用

1. value = 69
2. data = value

类似于出现这种引用关系时，内部其实就是将对象的引用计数器+1，源码同float类型引用。

2.4.3 销毁

1. value = 699
2. del value

在项目中如果出现这种删除的语句，则内部会将引用计数器-1，如果引用计数器减为0，则直接进行垃圾回收。（int类型是基于小数据池而不是free_list做的缓存，所以不会在销毁时缓存数据）。
C源码执行流程如下：

1. // Include/object.h
3. static inline void _Py_DECREF(const char *filename, int lineno,
4. PyObject *op)
5. {
6. (void)filename; /* may be unused, shut up -Wunused-parameter */
7. (void)lineno; /* may be unused, shut up -Wunused-parameter */
8. _Py_DEC_REFTOTAL;
9. // 引用计数器-1，如果引用计数器为0，则执行 _Py_Dealloc去垃圾回收。
10. if (--op->ob_refcnt != 0) {
11. #ifdef Py_REF_DEBUG
12. if (op->ob_refcnt < 0) {
13. _Py_NegativeRefcount(filename, lineno, op);
14. }
15. #endif
16. }
17. else {
18. _Py_Dealloc(op);
19. }
20. }
21. #define Py_DECREF(op) _Py_DECREF(__FILE__, __LINE__, _PyObject_CAST(op))

1. // Objects/object.c
2. void
3. _Py_Dealloc(PyObject *op)
4. {
5. // 找到int类型的 tp_dealloc 函数（int类中没有定义tp_dealloc函数，需要去父级PyBaseObject_Type中找tp_dealloc函数）
6. // 此处体现所有的类型都继承object
7. destructor dealloc = Py_TYPE(op)->tp_dealloc;
9. // 在refchain双向链表中摘除此对象。
10. _Py_ForgetReference(op);
12. // 执行int类型的 tp_dealloc 函数，去进行垃圾回收。
13. (*dealloc)(op);
14. }
15. void
16. _Py_ForgetReference(PyObject *op)
17. {
18. ...
19. // 在refchain链表中移除此对象
20. op->_ob_next->_ob_prev = op->_ob_prev;
21. op->_ob_prev->_ob_next = op->_ob_next;
22. op->_ob_next = op->_ob_prev = NULL;
23. _Py_INC_TPFREES(op);
24. }

1. // Objects/longobjet.c
3. PyTypeObject PyLong_Type = {
4. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
5. "int", /* tp_name */
6. offsetof(PyLongObject, ob_digit), /* tp_basicsize */
7. sizeof(digit), /* tp_itemsize */
8. 0, /* tp_dealloc */
9. ...
10. PyObject_Del, /* tp_free */
11. };

1. Objects/typeobject.c
3. PyTypeObject PyBaseObject_Type = {
4. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
5. "object", /* tp_name */
6. sizeof(PyObject), /* tp_basicsize */
7. 0, /* tp_itemsize */
8. object_dealloc, /* tp_dealloc */
9. ...
10. PyObject_Del, /* tp_free */
11. };
13. static void
14. object_dealloc(PyObject *self)
15. {
16. // 调用int类型的 tp_free，即：PyObject_Del去销毁对象。
17. Py_TYPE(self)->tp_free(self);
18. }

2.5 str类型

2.5.1 创建

1. name = "武沛齐"

当在python中创建一个字符串数据时，底层会触发他的如下源码:

1. Objects/unicodeobject.c
3. PyObject *
4. PyUnicode_DecodeUTF8Stateful(const char *s,Py_ssize_t size,const char *errors,Py_ssize_t *consumed)
5. {
6. return unicode_decode_utf8(s, size, _Py_ERROR_UNKNOWN, errors, consumed);
7. }
9. static PyObject *
10. unicode_decode_utf8(const char *s, Py_ssize_t size,_Py_error_handler error_handler, const char *errors,Py_ssize_t *consumed);
11. {
12. ...
13. // 如果字符串长度为1，并且是ascii字符，直接去缓存链表 *unicode_latin1[256] 中获取。
14. if (size == 1 && (unsigned char)s[0] < 128) {
15. if (consumed)
16. *consumed = 1;
17. return get_latin1_char((unsigned char)s[0]);
18. }
19. // 对传入的utf-8的字节进行处理，并选择合适的方式转换成unicode字符串。（latin2/ucs2/ucs4）。
20. ...
21. return _PyUnicodeWriter_Finish(&writer);
22. }
24. static PyObject*
25. get_latin1_char(unsigned char ch)
26. {
27. PyObject *unicode = unicode_latin1[ch];
28. if (!unicode) {
29. unicode = PyUnicode_New(1, ch);
30. if (!unicode)
31. return NULL;
32. PyUnicode_1BYTE_DATA(unicode)[0] = ch;
33. assert(_PyUnicode_CheckConsistency(unicode, 1));
34. unicode_latin1[ch] = unicode;
35. }
36. Py_INCREF(unicode);
37. return unicode;
38. }
40. PyObject *
41. _PyUnicodeWriter_Finish(_PyUnicodeWriter *writer)
42. {
43. PyObject *str;
44. // 写入值到str
45. str = writer->buffer;
46. writer->buffer = NULL;
48. if (writer->readonly) {
49. assert(PyUnicode_GET_LENGTH(str) == writer->pos);
50. return str;
51. }
53. if (PyUnicode_GET_LENGTH(str) != writer->pos) {
54. PyObject *str2;
55. // 创建对象
56. str2 = resize_compact(str, writer->pos);
57. if (str2 == NULL) {
58. Py_DECREF(str);
59. return NULL;
60. }
61. str = str2;
62. }
64. assert(_PyUnicode_CheckConsistency(str, 1));
65. return unicode_result_ready(str);
66. }
68. static PyObject*
69. resize_compact(PyObject *unicode, Py_ssize_t length)
70. {
71. ...
72. // 开辟内存
73. new_unicode = (PyObject *)PyObject_REALLOC(unicode, new_size);
74. if (new_unicode == NULL) {
75. _Py_NewReference(unicode);
76. PyErr_NoMemory();
77. return NULL;
78. }
79. unicode = new_unicode;
80. // 把对象加入到refchain链表
81. _Py_NewReference(unicode);
82. ...
83. return unicode;
84. }

在字符串中除了会执行上述代码之外，还会执行以下代码实现内部的驻留机制。为了更好的理解，你可以认为驻留机制：将字符串保存到一个名为 interned 的字典中，以后再使用时 直接去字典中获取不再需要创建。

实际在源码中每次都会创建新的字符串，只不过在内部检测是否已驻留到interned中，如果在则使用interned内部的原来的字符串，把新创建的字符串当做垃圾去回收。

1. Objects/unicodeobject.c
2. void
3. PyUnicode_InternInPlace(PyObject **p)
4. {
5. PyObject *s = *p;
6. PyObject *t;
7. #ifdef Py_DEBUG
8. assert(s != NULL);
9. assert(_PyUnicode_CHECK(s));
10. #else
11. if (s == NULL || !PyUnicode_Check(s))
12. return;
13. #endif
14. /* If it‘s a subclass, we don‘t really know what putting
15. it in the interned dict might do. */
16. if (!PyUnicode_CheckExact(s))
17. return;
18. if (PyUnicode_CHECK_INTERNED(s))
19. return;
20. if (interned == NULL) {
21. interned = PyDict_New();
22. if (interned == NULL) {
23. PyErr_Clear(); /* Don‘t leave an exception */
24. return;
25. }
26. }
27. Py_ALLOW_RECURSION
28. // 将新字符串驻留到interned字典中，不存在则驻留，已存在则不再重复驻留。
29. t = PyDict_SetDefault(interned, s, s);
30. Py_END_ALLOW_RECURSION
31. if (t == NULL) {
32. PyErr_Clear();
33. return;
34. }
35. // 存在，使用已驻留的字符串 并 将引用计数器+1
36. if (t != s) {
37. Py_INCREF(t);
38. Py_SETREF(*p, t); // 处理临时对象
39. return;
40. }
41. /* The two references in interned are not counted by refcnt.
42. The deallocator will take care of this */
43. Py_REFCNT(s) -= 2; // 让临时对象可被回收。
44. _PyUnicode_STATE(s).interned = SSTATE_INTERNED_MORTAL;
45. }

2.5.2 引用

同上，引用计数器 + 1 .

2.5.3 销毁

1. val = "武沛齐"
2. del val

在项目中如果出现这种删除的语句，则内部会将引用计数器-1，如果引用计数器减为0，则进行缓存或垃圾回收。

1. // Include/object.h
2. static inline void _Py_DECREF(const char *filename, int lineno,
3. PyObject *op)
4. {
5. (void)filename; /* may be unused, shut up -Wunused-parameter */
6. (void)lineno; /* may be unused, shut up -Wunused-parameter */
7. _Py_DEC_REFTOTAL;
8. // 引用计数器-1，如果引用计数器为0，则执行 _Py_Dealloc去缓存或垃圾回收。
9. if (--op->ob_refcnt != 0) {
10. #ifdef Py_REF_DEBUG
11. if (op->ob_refcnt < 0) {
12. _Py_NegativeRefcount(filename, lineno, op);
13. }
14. #endif
15. }
16. else {
17. _Py_Dealloc(op);
18. }
19. }
20. #define Py_DECREF(op) _Py_DECREF(__FILE__, __LINE__, _PyObject_CAST(op))

1. // Objects/object.c
2. void
3. _Py_Dealloc(PyObject *op)
4. {
5. // 找到str类型的 tp_dealloc 函数
6. destructor dealloc = Py_TYPE(op)->tp_dealloc;
7. // 在refchain双向链表中摘除此对象。
8. _Py_ForgetReference(op);
9. // 执行float类型的 tp_dealloc 函数，去进行缓存或垃圾回收。
10. (*dealloc)(op);
11. }
12. void
13. _Py_ForgetReference(PyObject *op)
14. {
15. ...
16. // 在refchain链表中移除此对象
17. op->_ob_next->_ob_prev = op->_ob_prev;
18. op->_ob_prev->_ob_next = op->_ob_next;
19. op->_ob_next = op->_ob_prev = NULL;
20. _Py_INC_TPFREES(op);
21. }

1. // Objects/unicodeobject.c
3. PyTypeObject PyUnicode_Type = {
4. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
5. "str", /* tp_name */
6. sizeof(PyUnicodeObject), /* tp_basicsize */
7. 0, /* tp_itemsize */
8. /* Slots */
9. (destructor)unicode_dealloc, /* tp_dealloc */
10. ...
11. PyObject_Del, /* tp_free */
12. };
14. static void
15. unicode_dealloc(PyObject *unicode)
16. {
17. switch (PyUnicode_CHECK_INTERNED(unicode)) {
18. case SSTATE_NOT_INTERNED:
19. break;
21. case SSTATE_INTERNED_MORTAL:
22. /* revive dead object temporarily for DelItem */
23. Py_REFCNT(unicode) = 3;
24. // 在interned中删除驻留的字符串
25. if (PyDict_DelItem(interned, unicode) != 0)
26. Py_FatalError(
27. "deletion of interned string failed");
28. break;
30. case SSTATE_INTERNED_IMMORTAL:
31. Py_FatalError("Immortal interned string died.");
32. /* fall through */
34. default:
35. Py_FatalError("Inconsistent interned string state.");
36. }
38. if (_PyUnicode_HAS_WSTR_MEMORY(unicode))
39. PyObject_DEL(_PyUnicode_WSTR(unicode));
40. if (_PyUnicode_HAS_UTF8_MEMORY(unicode))
41. PyObject_DEL(_PyUnicode_UTF8(unicode));
42. if (!PyUnicode_IS_COMPACT(unicode) && _PyUnicode_DATA_ANY(unicode))
43. PyObject_DEL(_PyUnicode_DATA_ANY(unicode));
44. // 内存中销毁对象
45. Py_TYPE(unicode)->tp_free(unicode);
46. }

2.6 list类型

2.6.1 创建

1. v = [11,22,33]

当创建一个列表时候，内部的C源码会执行如下：

1. // Objects/listobject.c
3. #define PyList_MAXFREELIST 80
5. // free_list用于对list对象进行缓存，最多可缓存80个对象
6. static PyListObject *free_list[PyList_MAXFREELIST];
7. // free_list中可用的对象
8. static int numfree = 0;
10. PyObject *
11. PyList_New(Py_ssize_t size)
12. {
13. PyListObject *op;
15. if (size < 0) {
16. PyErr_BadInternalCall();
17. return NULL;
18. }
19. if (numfree) {
20. // 如果free_list中有缓存的对象，则直接从free_list中获取一个对象来使用。
21. numfree--;
22. op = free_list[numfree];
23. _Py_NewReference((PyObject *)op);
24. } else {
25. // 缓存中没有，则需要 开辟内存 & 初始化对象
26. op = PyObject_GC_New(PyListObject, &PyList_Type);
27. if (op == NULL)
28. return NULL;
29. }
30. if (size <= 0)
31. op->ob_item = NULL;
32. else {
33. op->ob_item = (PyObject **) PyMem_Calloc(size, sizeof(PyObject *));
34. if (op->ob_item == NULL) {
35. Py_DECREF(op);
36. return PyErr_NoMemory();
37. }
38. }
39. Py_SIZE(op) = size;
40. op->allocated = size;
41. // 把对象加入到分代回收的三代中的0代链表中。
42. _PyObject_GC_TRACK(op);
43. return (PyObject *) op;
44. }

1. static inline void _PyObject_GC_TRACK_impl(const char *filename, int lineno,
2. PyObject *op)
3. {
4. _PyObject_ASSERT_FROM(op, !_PyObject_GC_IS_TRACKED(op),
5. "object already tracked by the garbage collector",
6. filename, lineno, "_PyObject_GC_TRACK");
8. PyGC_Head *gc = _Py_AS_GC(op);
9. _PyObject_ASSERT_FROM(op,
10. (gc->_gc_prev & _PyGC_PREV_MASK_COLLECTING) == 0,
11. "object is in generation which is garbage collected",
12. filename, lineno, "_PyObject_GC_TRACK");
13. // 把对象加入到链表中，链表尾部还是gc.generation0。
14. PyGC_Head *last = (PyGC_Head*)(_PyRuntime.gc.generation0->_gc_prev);
15. _PyGCHead_SET_NEXT(last, gc);
16. _PyGCHead_SET_PREV(gc, last);
17. _PyGCHead_SET_NEXT(gc, _PyRuntime.gc.generation0);
18. _PyRuntime.gc.generation0->_gc_prev = (uintptr_t)gc;
19. }
21. #define _PyObject_GC_TRACK(op)
22. _PyObject_GC_TRACK_impl(__FILE__, __LINE__, _PyObject_CAST(op))

1. Include/objimpl.h
3. #define PyObject_GC_New(type, typeobj)
4. ( (type *) _PyObject_GC_New(typeobj) )

1. //Modules/gcmodule.c
3. PyObject *
4. _PyObject_GC_New(PyTypeObject *tp)
5. {
6. // 创建对象
7. PyObject *op = _PyObject_GC_Malloc(_PyObject_SIZE(tp));
8. if (op != NULL)
9. // 初始化对象并把对象加入到refchain链表中。
10. op = PyObject_INIT(op, tp);
11. return op;
12. }
14. PyObject *
15. _PyObject_GC_Malloc(size_t basicsize)
16. {
17. return _PyObject_GC_Alloc(0, basicsize);
18. }
20. static PyObject *
21. _PyObject_GC_Alloc(int use_calloc, size_t basicsize)
22. {
23. // 包含分代回收的三代链表
24. struct _gc_runtime_state *state = &_PyRuntime.gc;
25. PyObject *op;
26. PyGC_Head *g;
27. size_t size;
28. if (basicsize > PY_SSIZE_T_MAX - sizeof(PyGC_Head))
29. return PyErr_NoMemory();
30. size = sizeof(PyGC_Head) + basicsize;
32. // 创建 gc head
33. if (use_calloc)
34. g = (PyGC_Head *)PyObject_Calloc(1, size);
35. else
36. g = (PyGC_Head *)PyObject_Malloc(size);
37. if (g == NULL)
38. return PyErr_NoMemory();
39. assert(((uintptr_t)g & 3) == 0); // g must be aligned 4bytes boundary
40. g->_gc_next = 0;
41. g->_gc_prev = 0;
43. // 分代回收的0代数量+1
44. state->generations[0].count++; /* number of allocated GC objects */
46. // 如果0代超出自己的阈值，进行垃圾分代回收。
47. if (state->generations[0].count > state->generations[0].threshold && state->enabled && state->generations[0].threshold && !state->collecting && !PyErr_Occurred())
48. {
49. // 正在收集
50. state->collecting = 1;
51. // 去进行垃圾回收收集
52. collect_generations(state);
53. // 结束收集
54. state->collecting = 0;
55. }
56. op = FROM_GC(g);
57. return op;
58. }
60. /* Get the object given the GC head */
61. #define FROM_GC(g) ((PyObject *)(((PyGC_Head *)g)+1))
63. static Py_ssize_t
64. collect_generations(struct _gc_runtime_state *state)
65. {
66. Py_ssize_t n = 0;
67. // 倒序循环三代，按照：2、1、0顺序
68. for (int i = NUM_GENERATIONS-1; i >= 0; i--) {
69. if (state->generations[i].count > state->generations[i].threshold) {
70. if (i == NUM_GENERATIONS - 1 && state->long_lived_pending < state->long_lived_total / 4)
71. continue;
72. // 去进行回收，回收当前代之前的所有代。
73. n = collect_with_callback(state, i);
74. break;
75. }
76. }
77. return n;
78. }
80. static Py_ssize_t
81. collect_with_callback(struct _gc_runtime_state *state, int generation)
82. {
83. ...
84. // 回收，0、1、2代（通过引用传参获取 已回收的和未回收的链表）
85. result = collect(state, generation, &collected, &uncollectable, 0);
86. ...
87. return result;
88. }
90. /* This is the main function. Read this to understand how the collection process works. */
91. static Py_ssize_t
92. collect(struct _gc_runtime_state *state, int generation,
93. Py_ssize_t *n_collected, Py_ssize_t *n_uncollectable, int nofail)
94. {
95. int i;
96. Py_ssize_t m = 0; /* # objects collected */
97. Py_ssize_t n = 0; /* # unreachable objects that couldn‘t be collected */
98. PyGC_Head *young; /* the generation we are examining */
99. PyGC_Head *old; /* next older generation */
100. PyGC_Head unreachable; /* non-problematic unreachable trash */
101. PyGC_Head finalizers; /* objects with, & reachable from, __del__ */
102. PyGC_Head *gc;
103. _PyTime_t t1 = 0; /* initialize to prevent a compiler warning */
105. /* update collection and allocation counters */
106. // generation分别会是 0 1 2
107. // 让当前执行收集的代的更高级的代的count加1 ？例如：0带时，让1代的count+1
108. // 因为当前带扫描一次，则更高级代count+1，当前带扫描到10次时，更高级的带要扫描一次。
109. if (generation+1 < NUM_GENERATIONS)
110. state->generations[generation+1].count += 1;
112. // 比当前代低的代的count设置为0，因为当前带扫描时候会携带年轻带一起扫描，本次扫描之后对象都会升级到高级别的带，年轻代则为0
113. for (i = 0; i <= generation; i++)
114. state->generations[i].count = 0;
115. // 总结：比当前扫描的代高的带count+1，自己和比自己低的代count设置为0.
117. // 将比自己代低的所有代，搞到一个链表中
118. // #define GEN_HEAD(state, n) (&(state)->generations[n].head)
119. for (i = 0; i < generation; i++) {
120. gc_list_merge(GEN_HEAD(state, i), GEN_HEAD(state, generation));
121. }
122. // 获取当前代的head（链表头）
123. // #define GEN_HEAD(state, n) (&(state)->generations[n].head)
124. young = GEN_HEAD(state, generation);
126. // 比当前代老的head（链表头），如果是0、1、2中的2代时，则两个值相等。
127. if (generation < NUM_GENERATIONS-1)
128. //0、1代
129. old = GEN_HEAD(state, generation+1);
130. else
131. //2代
132. old = young;
134. // 循环当前代（包含比自己年轻的代的链表）重的每个元素，将引用计数器拷贝到gc_refs中。
135. // 拷贝出来的用于以后做计数器的计算，不回去更改原来的引用计数器的值。
136. update_refs(young); // gc_prev is used for gc_refs
137. // 处理循环引用，把循环引用的位置值为0.
138. subtract_refs(young);
140. // 将链表中所有引用计数器为0的，移动到unreachable链表（不可达链表）。
141. // 循环young链表中的每个元素，并根据拷贝的引用计数器gc_refs进行判断，如果为0则放入不可达链表；
142. gc_list_init(&unreachable);
143. move_unreachable(young, &unreachable); // gc_prev is pointer again
144. validate_list(young, 0);
145. untrack_tuples(young);
146. /* Move reachable objects to next generation. */
147. // 将可达对象加入到下一代。
148. if (young != old) {
149. // 如果是0、1代，则升级到下一代。
150. if (generation == NUM_GENERATIONS - 2) {
151. // 如果是1代，则更新
152. state->long_lived_pending += gc_list_size(young);
153. }
154. // 把young链表拼接到old链表中。
155. gc_list_merge(young, old);
156. }
157. else {
158. /* We only untrack dicts in full collections, to avoid quadratic
159. dict build-up. See issue #14775. */
160. // 如果是2代，则更新long_lived_total和long_lived_pending
161. untrack_dicts(young);
162. state->long_lived_pending = 0;
163. state->long_lived_total = gc_list_size(young);
164. }
166. // 循环所有不可达的元素，把具有 __del__ 方法对象放到finalizers链表中。
167. // 调用__del__之后，再会进行让他们在销毁。
168. gc_list_init(&finalizers);
169. // NEXT_MASK_UNREACHABLE is cleared here.
170. // After move_legacy_finalizers(), unreachable is normal list.
171. move_legacy_finalizers(&unreachable, &finalizers);
172. /* finalizers contains the unreachable objects with a legacy finalizer;
173. * unreachable objects reachable *from* those are also uncollectable,
174. * and we move those into the finalizers list too.
175. */
176. move_legacy_finalizer_reachable(&finalizers);
178. validate_list(&finalizers, 0);
179. validate_list(&unreachable, PREV_MASK_COLLECTING);
180. ...
182. /* Clear weakrefs and invoke callbacks as necessary. */
183. // 循环所有的不可达元素，处理所有弱引用到unreachable，如果弱引用对象仍然生存则放回old链表中。
184. m += handle_weakrefs(&unreachable, old);
186. validate_list(old, 0);
187. validate_list(&unreachable, PREV_MASK_COLLECTING);
189. /* Call tp_finalize on objects which have one. */
190. // 执行那些具有的__del__方法的对象。
191. finalize_garbage(&unreachable);
193. // 最后，进行进行对垃圾的清除。
194. if (check_garbage(&unreachable)) { // clear PREV_MASK_COLLECTING here
195. gc_list_merge(&unreachable, old);
196. }
197. else {
198. /* Call tp_clear on objects in the unreachable set. This will cause
199. * the reference cycles to be broken. It may also cause some objects
200. * in finalizers to be freed.
201. */
202. m += gc_list_size(&unreachable);
203. delete_garbage(state, &unreachable, old);
204. }
206. /* Collect statistics on uncollectable objects found and print
207. * debugging information. */
208. for (gc = GC_NEXT(&finalizers); gc != &finalizers; gc = GC_NEXT(gc)) {
209. n++;
210. if (state->debug & DEBUG_UNCOLLECTABLE)
211. debug_cycle("uncollectable", FROM_GC(gc));
212. }
213. if (state->debug & DEBUG_STATS) {
214. double d = _PyTime_AsSecondsDouble(_PyTime_GetMonotonicClock() - t1);
215. PySys_WriteStderr(
216. "gc: done, %" PY_FORMAT_SIZE_T "d unreachable, "
217. "%" PY_FORMAT_SIZE_T "d uncollectable, %.4fs elapsed ",
218. n+m, n, d);
219. }
221. /* Append instances in the uncollectable set to a Python
222. * reachable list of garbage. The programmer has to deal with
223. * this if they insist on creating this type of structure.
224. */
225. // 执行完 __del__没有，不应该被删除的对象，再重新加入到可达链表中。
226. handle_legacy_finalizers(state, &finalizers, old);
227. validate_list(old, 0);
229. /* Clear free list only during the collection of the highest
230. * generation */
231. if (generation == NUM_GENERATIONS-1) {
232. clear_freelists();
233. }
234. ...
235. return n+m;
236. }

2.6.2 引用

1. v1 = [11,22,33]
2. v2 = v1

当对对象进行引用时候，内部引用计数器+1，原理同上。

2.6.3 销毁

1. v1 = [11,22,33]
2. del v1

对列表对象进行销毁时，本质上就会执行引用计数器-1（同上），但当引用计数器为0时候，会执行list对象的tp_dealloc，即：

1. // Object/listobject.c
3. PyTypeObject PyList_Type = {
4. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
5. "list",
6. sizeof(PyListObject),
7. 0,
8. (destructor)list_dealloc, /* tp_dealloc */
9. ...
10. PyObject_GC_Del, /* tp_free */
11. };
13. /* Empty list reuse scheme to save calls to malloc and free */
14. #ifndef PyList_MAXFREELIST
15. #define PyList_MAXFREELIST 80
16. #endif
17. static PyListObject *free_list[PyList_MAXFREELIST];
18. static int numfree = 0;
20. static void
21. list_dealloc(PyListObject *op)
22. {
23. Py_ssize_t i;
24. // 从分代回收的的代中移除
25. PyObject_GC_UnTrack(op);
26. Py_TRASHCAN_BEGIN(op, list_dealloc)
27. if (op->ob_item != NULL) {
28. /* Do it backwards, for Christian Tismer.
29. There‘s a simple test case where somehow this reduces
30. thrashing when a *very* large list is created and
31. immediately deleted. */
32. i = Py_SIZE(op);
33. while (--i >= 0) {
34. Py_XDECREF(op->ob_item[i]);
35. }
36. PyMem_FREE(op->ob_item);
37. }
38. if (numfree < PyList_MAXFREELIST && PyList_CheckExact(op))
39. // free_list中还么有占满80，不销毁并缓冲在free_list中
40. free_list[numfree++] = op;
41. else
42. // 销毁并在refchain中移除
43. Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
44. Py_TRASHCAN_END
45. }

2.7 tuple类型

2.7.1 创建

1. v = (11,22,33)

当创建元组时候，会执行如下源码：

1. // Objects/tupleobject.c
3. #define PyTuple_MAXSAVESIZE 20 /* Largest tuple to save on free list */
4. #define PyTuple_MAXFREELIST 2000 /* Maximum number of tuples of each size to save */
6. static PyTupleObject *free_list[PyTuple_MAXSAVESIZE]; // free_list[20] = {链表、链表..}
7. static int numfree[PyTuple_MAXSAVESIZE]; // numfree[2000]表示每个链表的长度
9. PyObject *
10. PyTuple_New(Py_ssize_t size)
11. {
12. PyTupleObject *op;
13. ...
14. // free_list第0个元素存储的是空元祖
15. if (size == 0 && free_list[0]) {
16. op = free_list[0];
17. Py_INCREF(op);
18. return (PyObject *) op;
19. }
20. // 有缓存的tuple对象，则从free_list中获取
21. if (size < PyTuple_MAXSAVESIZE && (op = free_list[size]) != NULL) {
22. // 获取对象并初始化
23. free_list[size] = (PyTupleObject *) op->ob_item[0];
24. numfree[size]--;
25. Py_SIZE(op) = size;
26. Py_TYPE(op) = &PyTuple_Type;
27. // 对象加入到refchain链表。
28. _Py_NewReference((PyObject *)op);
29. }
30. else
31. {
32. ..
33. // 没有缓存数据，则创建对象
34. op = PyObject_GC_NewVar(PyTupleObject, &PyTuple_Type, size);
35. if (op == NULL)
36. return NULL;
37. }
38. for (i=0; i < size; i++)
39. op->ob_item[i] = NULL;
40. if (size == 0) {
41. free_list[0] = op;
42. ++numfree[0];
43. Py_INCREF(op); /* extra INCREF so that this is never freed */
44. }
45. // 对象加入到分代的链表。
46. _PyObject_GC_TRACK(op);
47. return (PyObject *) op;
48. }

1. // Includes/objimpl.h
3. #define PyObject_GC_NewVar(type, typeobj, n)
4. ( (type *) _PyObject_GC_NewVar((typeobj), (n)) )

1. Objects/gcmodules.c
3. PyVarObject *
4. _PyObject_GC_NewVar(PyTypeObject *tp, Py_ssize_t nitems)
5. {
6. size_t size;
7. PyVarObject *op;
9. if (nitems < 0) {
10. PyErr_BadInternalCall();
11. return NULL;
12. }
13. size = _PyObject_VAR_SIZE(tp, nitems);
14. // 开内存 & 分代 & 超过阈值则垃圾回收（流程同上述 列表过程）
15. op = (PyVarObject *) _PyObject_GC_Malloc(size);
16. if (op != NULL)
17. op = PyObject_INIT_VAR(op, tp, nitems);
18. return op;
19. }

2.7.2 引用

1. v1 = (11,22,33)
2. v2 = v1

引用时会触发引用计数器 + 1，具体流程同上。

2.7.3 销毁

1. v = (11,22,33)
2. del v

销毁对象时候，执行引用计数器-1，如果计数器减为0，则触发tuple类型的tp_dealloc，详细如下：

3. PyTypeObject PyTuple_Type = {
4. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
5. "tuple",
6. sizeof(PyTupleObject) - sizeof(PyObject *),
7. sizeof(PyObject *),
8. (destructor)tupledealloc, /* tp_dealloc */
9. ...
10. PyObject_GC_Del, /* tp_free */
11. };
13. static void
14. tupledealloc(PyTupleObject *op)
15. {
16. Py_ssize_t i;
17. Py_ssize_t len = Py_SIZE(op);
18. // 从分代的链表中移除
19. PyObject_GC_UnTrack(op);
20. Py_TRASHCAN_BEGIN(op, tupledealloc)
21. if (len > 0) {
22. i = len;
23. while (--i >= 0)
24. Py_XDECREF(op->ob_item[i]);
25. // 缓存到free_list中
26. if (len < PyTuple_MAXSAVESIZE && numfree[len] < PyTuple_MAXFREELIST &&
27. Py_TYPE(op) == &PyTuple_Type)
28. {
29. op->ob_item[0] = (PyObject *) free_list[len];
30. numfree[len]++;
31. free_list[len] = op;
32. // 结束
33. goto done; /* return */
34. }
36. }
37. // 不缓存，则直接销毁对象并在refchain链表中移除。
38. Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
39. done:
40. Py_TRASHCAN_END
41. }

2.8 dict类型

2.8.1 创建

1. v = {"name":"武沛齐","age":18}

当创建一个字典对象时，Python底层会执行如下源码：

2. #define PyDict_MAXFREELIST 80
3. // 缓存dict对象的free_list
4. static PyDictObject *free_list[PyDict_MAXFREELIST];
5. static int numfree = 0;
8. PyObject *
9. PyDict_New(void)
10. {
11. dictkeys_incref(Py_EMPTY_KEYS);
12. return new_dict(Py_EMPTY_KEYS, empty_values);
13. }
15. /* Consumes a reference to the keys object */
16. static PyObject *
17. new_dict(PyDictKeysObject *keys, PyObject **values)
18. {
19. PyDictObject *mp;
20. assert(keys != NULL);
21. // 如果有缓存，则从缓存区获取一个对象
22. if (numfree) {
23. mp = free_list[--numfree];
24. assert (mp != NULL);
25. assert (Py_TYPE(mp) == &PyDict_Type);
26. _Py_NewReference((PyObject *)mp);
27. }
28. else {
29. // 没有缓存，则去创建字典对象。（源码流程同list类型）
30. mp = PyObject_GC_New(PyDictObject, &PyDict_Type);
31. if (mp == NULL) {
32. dictkeys_decref(keys);
33. if (values != empty_values) {
34. free_values(values);
35. }
36. return NULL;
37. }
38. }
39. mp->ma_keys = keys;
40. mp->ma_values = values;
41. mp->ma_used = 0;
42. mp->ma_version_tag = DICT_NEXT_VERSION();
43. ASSERT_CONSISTENT(mp);
44. return (PyObject *)mp;
45. }

2.8.2 引用

1. v1 = {"name":"武沛齐","age":18}
2. v2 = v1

出现引用，则应用计数器+1（同上）。

2.8.3 销毁

1. v1 = {"name":"武沛齐","age":18}
2. del v1

销毁一个对象时候，引用计数器-1，当减到0时候，则触发dict类型的tp_dealloc，源码如下：

1. // Object/dictobject.c
3. PyTypeObject PyDict_Type = {
4. PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
5. "dict",
6. sizeof(PyDictObject),
7. 0,
8. (destructor)dict_dealloc, /* tp_dealloc */
9. ...
10. PyObject_GC_Del, /* tp_free */
11. };
13. static void
14. dict_dealloc(PyDictObject *mp)
15. {
16. PyObject **values = mp->ma_values;
17. PyDictKeysObject *keys = mp->ma_keys;
18. Py_ssize_t i, n;
20. // 从分代链表中移除
21. PyObject_GC_UnTrack(mp);
22. Py_TRASHCAN_BEGIN(mp, dict_dealloc)
23. ...
24. // 缓存区为满，则缓存
25. if (numfree < PyDict_MAXFREELIST && Py_TYPE(mp) == &PyDict_Type)
26. free_list[numfree++] = mp;
27. else
28. // 已满则销毁，并在refchain中移除。
29. Py_TYPE(mp)->tp_free((PyObject *)mp);
30. Py_TRASHCAN_END
31. }