目录

  • 概述
  • 1、什么是垃圾
  • 2、什么是垃圾回收机制
  • 3、垃圾回收机制的作用
  • 引用计数
  • 1、原理
  • 2、引用介绍
  • 3、引用计数增加的情况
  • 4、引用计数减少的情况
  • 5、引用计数存在的问题
  • 标记-清除
  • 1、标记
  • 2、清除
  • 3、作用
  • 分代回收


概述

1、什么是垃圾

我们定义变量时，是将变量名与变量值关联的一个过程，其目的就是为了通过变量名去引用到我们所需要的变量值。当一个变量值不再绑定任何引用（变量名）时，我们就无法再访问到该变量值了，该变量值自然就是没有用的，我们就将其称之为垃圾。

2、什么是垃圾回收机制

垃圾回收机制（简称GC）是Python解释器自带一种机制，专门用来回收不可用的变量值所占用的内存空间。Python采用的是引用计数机制为主，标记清除和分代回收两种机制为辅的策略。

3、垃圾回收机制的作用

程序运行过程中会申请大量的内存空间，而对于一些无用的内存空间如果不及时清理的话会导致内存溢出，进而可能导致程序崩溃，因此管理内存是一件重要且繁杂的事情，而Python解释器自带的垃圾回收机制把程序员从繁杂的内存管理中解放出来。

引用计数

1、原理

引用计数法机制的原理是：每个对象维护一个ob_refcnt字段，用来记录该对象当前被引用的次数，每当新的引用指向该对象时，它的引用计数ob_refcnt加1，每当该对象的引用失效时计数ob_refcnt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。

python里每一个东西都是对象，它们的核心就是一个结构体：PyObject：

typedef struct_object {
 int ob_refcnt;
 struct_typeobject *ob_type;
} PyObject;

PyObject是每个对象必有的内容，其中ob_refcnt就是做为引用计数。当一个对象有新的引用时，它的ob_refcnt就会增加，当引用它的对象被删除，它的ob_refcnt就会减少：

#define Py_INCREF(op)   ((op)->ob_refcnt++) //增加计数
#define Py_DECREF(op) \ //减少计数
    if (--(op)->ob_refcnt != 0) 
        ; 
    else 
        __Py_Dealloc((PyObject *)(op))

当引用计数为0时，该对象生命就结束了。

2、引用介绍

引用有直接引用和间接引用两种，任何一种引用都会导致引用计数的增加。

x = 10 #对10的直接引用

l = [20, x]  #对10的间接引用

为了更好的说明上述例子的直接引用和间接引用，我们来看看内存简图。

普通变量的引用如图：

python中的gp是什么 python gc_Python


其结果是x,y,z都是对10的直接引用。列表的引用如下图所示：

python中的gp是什么 python gc_Python_02


由图可知，列表中存放的并不是元素的值，而是索引和对应地址所构成的。这也就说明间接引用只存在于容器类型中。

3、引用计数增加的情况

  • 对象被创建，例如 a=23
  • 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 func(a)
  • 对象作为一个元素，存储在容器中，例如 list1=[10, a]

4、引用计数减少的情况

  • 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

5、引用计数存在的问题

  • 循环引用（交叉引用）
# 如下我们定义了两个列表，简称列表1与列表2，变量名l1指向列表1，变量名l2指向列表2
>>> l1 = ['222']   # 列表1被引用一次，列表1的引用计数变为1  
>>> l2 = ['333']   # 列表2被引用一次，列表2的引用计数变为1
>>> l1.append(l2)    # 把列表2追加到l1中作为第二个元素，列表2的引用计数变为2
>>> l2.append(l1)    # 把列表1追加到l2中作为第二个元素，列表1的引用计数变为2

# l1与l2之间有相互引用
# l1 = ['222'的内存地址,列表2的内存地址]
# l2 = ['333'的内存地址,列表1的内存地址]
>>> l1
['222', ['333', [...]]]
>>> l2
['333', ['222', [...]]]

>>> del l1 # 列表1的引用计数减1，列表1的引用计数变为1
>>> del l2 # 列表2的引用计数减1，列表2的引用计数变为1

循环引用会导致：值不再被任何名字关联，但是值的引用计数并不会为0，应该被回收但不能被回收，如上例，按理，我们已经把 l1 和 l2 列表都删除了，但是由于 l1 和 l2 的引用计数并不为0，这将导致这两个的内存空间不会被回收。所以Python引入了“标记-清除” 来解决引用计数的循环引用的问题。

  • 效率
    基于引用计数的回收机制，每次回收内存，都需要把所有对象的引用计数都遍历一遍，这是非常消耗时间的。于是引入了分代回收来提高回收效率，分代回收采用的是用“空间换时间”的策略。

标记-清除

容器对象（比如：list，set，dict，class，instance）都可以包含对其他对象的引用，所以都可能产生循环引用。而“标记-清除”计数就是为了解决循环引用的问题。

标记/清除算法的做法是当应用程序可用的内存空间被耗尽的时，就会停止整个程序，然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

1、标记

通俗地讲就是：
栈区相当于“根”，凡是从根出发可以访达（直接或间接引用）的，都称之为“有根之人”，有根之人当活，无根之人当死。

具体地：标记的过程其实就是，遍历所有的GC Roots对象(栈区中的所有内容或者线程都可以作为GC Roots对象），然后将所有GC Roots的对象可以直接或间接访问到的对象标记为存活的对象，其余的均为非存活对象，应该被清除。

2、清除

清除的过程将遍历堆中所有的对象，将没有标记的对象全部清除掉。

3、作用

基于上例的循环引用，当我们同时删除l1与l2时，会清理到栈区中l1与l2的内容以及直接引用关系这样在启用标记清除算法时，从栈区出发，没有任何一条直接或间接引用可以访达l1与l2，即l1与l2成了垃圾，于是l1与l2都没有被标记为存活，二者会被清理掉，这样就解决了循环引用带来的内存泄漏问题。

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随着对象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。

上述内容只是简单的初学笔记，想要深入了解的可以看以下文章。