简单理解python的垃圾回收机制

Posted 2022-09-11 axing-articles

　　关键词：垃圾回收、引用计数、分代回收、标记-清除

　　前言：理解python中变量的定义：抽象理解python中变量的定义过程

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 1、垃圾回收机制的基本组成：

　　python采用的是以引用计数为主，以分代回收和标记清除为辅的垃圾回收机制

2、详细分析垃圾回收机制：

（1）首先是引用计数：

　　在python中，每创建一个对象，那么python解释器会自动为其设置一个特殊的变量，这个变量称为引用计数（初始值默认是1）。一旦有一个新变量指向这个对象，那么这个引用计数的值就会加1。如果引用计数的值为0。那么python解释器的内存管理系统就会自动回收这个对象所占的内存空间，删除掉这个对象。

①引用计数+1的情况：

• 对象被创建，例如a = "laoliang"
• 对象被引用，例如b = a
• 对象被作为参数，传入到一个函数中，例如fun(a)
• 对象作为一个元素，存储在容器中，例如data_list=[a,b]

②引用计数-1的情况：

• 对象的别名被显式销毁，例如del a
• 对象的别名被赋予新的对象，例如a = 24
• 一个对象离开它的作用域，例如func函数执行完毕时，func函数中的局部变量（全局变量不会）
• 对象所在的容器被销毁，或从容器中删除对象

③查看一个对象的引用计数：

import sys
a = "hello laoliang"
sys.getrefcount(a)

注意：查看a对象的引用计数时，比正常计数大1，因为调用函数的时候传入a，这会让a的引用计数+1。

（2）既然已经有引用计数了，那么为什么还要提出分代回收呢？

原因就是引用计数没办法解决“循环引用”的情况。

①“循环引用”分析：

a = ["laoliang", ]   # 语句1
b = ["laowang", ]    # 语句2
a.append(b)          # 语句3
b.append(a)          # 语句4
# 此时对象的值：a = ["laoliang", b]   b = ["laowang", a]
del a                # 语句5
del b                # 语句6
# 执行完语句5和语句6是希望同时删除掉a对象和b对象

分析：

　　执行完语句1到语句4之后，会形成上图左边所示的对象引用关系。

　　由上图可知，在执行“del a”语句之后，只是删除了对象的引用，也就是此时a变量这个名字被删除，也就是此时对象[b, "laoliang"]的引用计数减1；执行"del b"语句也是同样的情况。

　　此时对象[b, "laoliang"]中有一个引用，指向了[a, "laowang"]，所以此时[b, "laoliang"]的引用计数不为0，所以存在于内存中，不真正被删除。[a, "laowang"]也是一个道理。但是，此时，由于显式指向它们的变量已经不存在了，所以也没办法删除了，就会导致它们一直存在于内存空间中。 这就是循环引用出现的问题。 此时，单靠引用计数没办法解决问题。所以便提出了分代回收。

②分代回收：

注意：在分代回收中，如果某对象的引用计数为0，那么它所占的内存空间同样也会被python解释器回收。

a、此时在python中每创建一个对象，那么就会把对象添加到一个特殊的“链表”中，这个链表称为"零代链表"。每当创建一个新的对象，那么就会将其添加到零代链表中。当这个"零代链表"中的对象个数达到某一个指定的阀值的时候，python解释器就会对这个"零代链表"进行一次“扫描操作”。这个“扫描操作”所做的工作是查找链表中是否存在循环引用的对象，如果在扫描过程中，发现有互相引用的对象，那么会让这些对象的引用计数都减少1。此时，如果某些对象引用计数变成0，那么就会被python解释器回收其所占用的内存空间；如果对象的引用计数仍然不为0，那么会把此时存活的对象迁移到“一代链表”中。

b、同样，python解释器也会在一定的情况下，也扫描“一代链表”，判断其中是否存在互相引用的对象。如果存在，那么同样也是让这些对象的引用计数都减少1。此时，如果某些对象引用计数变成0，那么就会被python解释器回收其所占用的内存空间；如果对象的引用计数仍然不为0，那么会把此时存活的对象迁移到“二代链表”中。

c、同样，python解释器也会在一定的情况下，也会扫描"二代链表"，判断其中是否存在互相引用的对象。如果存在，那么同样也是让这些对象的引用计数都减少1。此时，如果某些对象引用计数变成0，那么就会被python解释器回收其所占用的内存空间；如果对象的引用计数仍然不为0，那么会把此时存活的对象迁移到一个新的特殊的内存空间。此时重新进行"零代链表 -> 一代链表 -> 二代链表"的循环。

这就是python的分代回收机制。

（3）那么既然已经有分代回收了，那么为什么又要提出标记-清除呢？

原因就是分代回收没办法解决“误删”的情况。

①“误删”分析：

a = ["laoliang", ]   # 语句1
b = ["laowang", ]    # 语句2
a.append(b)          # 语句3  
b.append(a)          # 语句4  
# 此时对象的值：a = ["laoliang", b]   b = ["laowang", a]。 ["laoliang", b]、["laowang", a]的引用计数都为2
del a                # 语句5
# 此时["laoliang", b]的引用计数为1， ["laowang", a]的引用计数为2
# 执行完语句5只希望删除a对象

　　如果按照分代回收的方式来处理上述语句。那么，python解释器在执行完语句5之后。在一定的情况下进行查找循环引用对象的时候，会发现此时["laowang", a]对象和["laoliang", b]对象存在互相引用的情况。所以此时就会让这两个对象的引用计数减1。此时，["laoliang", b]对象的引用计数为0，所以["laoliang", b]对象被真正删除，但是其实此时["laowang", a]对象中是有一个变量引用原来的["laoliang", b]对象的。如果["laoliang", b]对象被真正删除的话，那么此时["laowang", a]对象中的a变量就没有用了，就没有办法访问了。但是其实我们是希望它有用的，所以这个时候就出现“误删”的情况了。所以此时就需要结合“标记-清除”来解决问题了。

②标记-清除：

• 此时同样是检测链表中的相互引用的对象，然后让它们的引用计数减1之后；
• 但是此时会将所有的对象分为两组：死亡组（death_group）和存活组（survival_group），把引用计数为0的对象添加进死亡组，其它的对象添加进存活组；
• 此时会对存活组的对象进行分析，只要对象存活，那么其内部的对象当然也必须存活。如果发现内部对象死亡，那么就会想方设法让其活过来，通过这样子就能保证不会删错对象了。

eg：对于①的题目的重新分析：

　　在检查死亡组的时候，会发现[a，"laowang"]对象中的a所指向的对象存在于死亡组中，所以就会想方设法让其复活，此时就能够保证[a, "laowang"]对象中所有的对象都是存活的。

　　实际运行分析：

　　　　在删除了a对象之后，b对象中的内部的对象都是可以访问的。这就是因为使用了标记-清除。

　　　　

3、综上所述：

　　python就是采用的是以引用计数为主，以分代回收和标记清除为辅的垃圾回收机制。三者相辅相成，共同来处理、维护python程序所占用的内存空间。

 

 

参考资料：

https://www.jianshu.com/p/6c783517a5e9

https://www.cnblogs.com/saolv/p/8411993.html

https://blog.csdn.net/admin_maxin/article/details/81632580

https://blog.csdn.net/weixin_34232363/article/details/85943385