• 垃圾回收机制


    引言:GC作为现代编程语言的自动内存管理机制,专注于两件事:1. 找到内存中无用的垃圾资源 2. 清除这些垃圾并把内存让出来给其他对象使用。这使得程序员不必过于关心资源管理,从而有更多精力处理其他的事情。

    一、引用计数

    引用计数(reference counting)法是Python默认的垃圾回收机制,被第一次应用至今已经有50多年的历史。

    1.1 原理是:

    为每个对象维护一个对象引用字段即object_reference,用来记录当前对象被引用的次数,每当新的引用指向该对象时,它的引用计数ob_ref加1,每当该对象的引用失效时计数ob_ref减1,一旦对象的引用计数为0,该对象立即被回收,对象占用的内存空间将被释放。

    1.2 缺点:

    1. 额外的空间浪费:为每一个对象添加一个字段来记录当前对象被引用的次数,本身就需要额外的空间。
    2. 无法解决循环引用,也是最主要的,当对象为字符串,字节,或者数字等扁平序列还好,但是当对象为列表,字典等容器内部存在对其他对象的引用呢?

    什么是循环引用:A和B相互引用而再没有外部引用A与B中的任何一个,它们的引用计数虽然都为1,但显然应该被回收,例子:

    a = { } #对象A的引用计数为 1
    b = { } #对象B的引用计数为 1
    a['b'] = b #B的引用计数增1
    b['a'] = a #A的引用计数增1
    del a #A的引用减 1,最后A对象的引用为 1
    del b #B的引用减 1, 最后B对象的引用为 1

    在这个例子中程序执行完del语句后,A、B对象已经没有任何引用指向这两个对象,但是这两个对象各包含一个对方对象的引用,虽然最后两个对象都无法通过其它变量来引用这两个对象了,这对GC来说就是两个非活动对象或者说是垃圾对象,但是他们的引用计数并没有减少到零。因此如果是使用引用计数法来管理这两对象的话,他们并不会被回收,它会一直驻留在内存中,就会造成了内存泄漏(内存空间在使用完毕后未释放)。为了解决对象的循环引用问题,Python引入了标记-清除分代回收两种GC机制。

    二、标记清除

    2.1 原理

    标记清除(Mark—Sweep)算法是一种基于追踪回收(tracing GC)技术实现的垃圾回收算法。它分为两个阶段:

    • 第一阶段是标记阶段,GC会把所有的『活动对象』打上标记,
    • 第二阶段是把那些没有标记的对象『非活动对象』进行回收。那么GC又是如何判断哪些是活动对象哪些是非活动对象的呢?

    对象之间通过引用(指针)连在一起,构成一个有向图,对象构成这个有向图的节点,而引用关系构成这个有向图的边。从根对象(root object)出发,沿着有向边遍历对象,可达的(reachable)对象标记为活动对象,不可达的对象就是要被清除的非活动对象。根对象就是全局变量、调用栈、寄存器。

            root-->1-->2<--3
    

    2.2 缺点

    上面例子中,从root出发,那么1对象就是可直达的,别标记为活动对象,2对象都是间接可达的,也是会被标记为活动对象,到此,第一阶段结束。而3对象就是不可达的未非活动对象,会被内存回收。但是here comes the question。该如何认定3为不可达对象呢,毕竟我们从root出发,只能到达可达对象,也就是说只能通过对象的引用找到1,2对象,而3存在对2的引用,从root出发无法到达,该怎么办?
    Python使用一个双向链表将这些容器对象组织起来。不过,这种简单粗暴的标记清除算法也有明显的缺点:清除非活动的对象前它必须顺序扫描整个堆内存,哪怕只剩下小部分活动对象也要扫描所有对象。

    三、分代回收

    分代回收是一种以空间换时间的操作方式,Python将内存根据对象的存活时间划分为不同的集合,每个集合称为一个代,Python将内存分为了3“代”,分别为年轻代(第0代)、中年代(第1代)、老年代(第2代),他们对应的是3个链表,它们的垃圾收集频率与对象的存活时间的增大而减小。新创建的对象都会分配在年轻代,年轻代链表的总数达到上限时,Python垃圾收集机制就会被触发,把那些可以被回收的对象回收掉,而那些不会回收的对象就会被移到中年代去,依此类推,老年代中的对象是存活时间最久的对象,甚至是存活于整个系统的生命周期内。同时,分代回收是建立在标记清除技术基础之上。分代回收同样作为Python的辅助垃圾收集技术处理那些容器对象。

    四、析构函数和构造函数

    __del__和__init__是常见的运算符方法, 它们的主要作用是进行对象的创建和回收,当实例创建时,就会调用__init__构造方法。当实例对象被收回时,析构函数__del__会自动执行。

    class Bot():
        def __init__(self, s):
            self.name =  s
            print('构造', self.name)    
        
        def __del__(self):
            print('析构')    
    
    >>>b = Bot('boy')
    构造boy
    >>> del b
    析构
    
    

    参考链接

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