Python 源码学习之内存管理 -- (转)

Python 的内存管理架构（Objects/obmalloc.c）：

    _____   ______   ______       ________
   [ int ] [ dict ] [ list ] ... [ string ]       Python core         |
+3 | <----- Object-specific memory -----> | <-- Non-object memory --> |
    _______________________________       |                           |
   [   Python's object allocator   ]      |                           |
+2 | ####### Object memory ####### | <------ Internal buffers ------> |
    ______________________________________________________________    |
   [          Python's raw memory allocator (PyMem_ API)          ]   |
+1 | <----- Python memory (under PyMem manager's control) ------> |   |
    __________________________________________________________________
   [    Underlying general-purpose allocator (ex: C library malloc)   ]
 0 | <------ Virtual memory allocated for the python process -------> |

• 0. C语言库函数提供的接口

• 1. PyMem_*家族，是对 C中的 malloc、realloc和free 简单的封装，提供底层的控制接口。

• 2. PyObject_* 家族，高级的内存控制接口。

• 3. 对象类型相关的管理接口

PyMem_*

PyMem_家族：低级的内存分配接口(low-level memory allocation interfaces)

Python 对C中的 malloc、realloc和free 提供了简单的封装：

C	Python函数	Python宏
malloc	PyMem_Malloc	PyMem_MALLOC
realloc	PyMem_Realloc	PyMem_REALLOC
free	PyMem_Free	PyMem_FREE

为什么要这么多次一举：

• 不同的C实现对于malloc(0)产生的结果有会所不同，而PyMem_MALLOC(0)会转成malloc(1).

• 不用的C实现的malloc与free混用会有潜在的问题。python提供封装可以避免这个问题。
  • Python提供了宏和函数，但是宏无法避免这个问题，故编写扩展是应避免使用宏

源码：

• Include/pymem.h

#define PyMem_MALLOC(n) ((size_t)(n) > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX ? NULL \
                         : malloc((n) ? (n) : 1))
#define PyMem_REALLOC(p, n) ((size_t)(n) > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX  ? NULL \
                           : realloc((p), (n) ? (n) : 1))
#define PyMem_FREE free

• Objects/object.c

/* Python's malloc wrappers (see pymem.h) */

void *
PyMem_Malloc(size_t nbytes)
{
    return PyMem_MALLOC(nbytes);
}
...

除了对C的简单封装外，Python还提供了4个宏

• PyMem_New 和 PyMem_NEW

• PyMem_Resize和 PyMem_RESIZE

它们可以感知类型的大小

#define PyMem_New(type, n) \
  ( ((size_t)(n) > PY_SSIZE_T_MAX / sizeof(type)) ? NULL :      \
        ( (type *) PyMem_Malloc((n) * sizeof(type)) ) )

#define PyMem_Resize(p, type, n) \
  ( (p) = ((size_t)(n) > PY_SSIZE_T_MAX / sizeof(type)) ? NULL :        \
        (type *) PyMem_Realloc((p), (n) * sizeof(type)) )
#define PyMem_Del               PyMem_Free
#define PyMem_DEL               PyMem_FREE

以下涉及的一些函数仍旧是函数和宏同时存在，下划线后全是大写字符的是宏，后面不再特别说明。

PyObject_*

PyObject_*家族，是高级的内存控制接口(high-level object memory interfaces)。

• 注意

• 不要和PyMem_*家族混用！！

• 除非有特殊的内粗管理要求，否则应该坚持使用PyObject_*

源码

• Include/objimpl.h

#define PyObject_New(type, typeobj) \
                ( (type *) _PyObject_New(typeobj) )
#define PyObject_NewVar(type, typeobj, n) \
                ( (type *) _PyObject_NewVar((typeobj), (n)) )

• Objects/object.c

PyObject *
_PyObject_New(PyTypeObject *tp)
{
    PyObject *op;
    op = (PyObject *) PyObject_MALLOC(_PyObject_SIZE(tp));
    if (op == NULL)
        return PyErr_NoMemory();
    return PyObject_INIT(op, tp);
}

PyVarObject *
_PyObject_NewVar(PyTypeObject *tp, Py_ssize_t nitems)
{
    PyVarObject *op;
    const size_t size = _PyObject_VAR_SIZE(tp, nitems);
    op = (PyVarObject *) PyObject_MALLOC(size);
    if (op == NULL)
        return (PyVarObject *)PyErr_NoMemory();
    return PyObject_INIT_VAR(op, tp, nitems);
}

它们执行两项操作：

• 分配内存：PyObject_MALLOC

• 部分初始化对象：PyObject_INIT和PyObject_INIT_VAR

初始化没什么好看到，但是这个MALLOC就有点复杂无比了...

PyObject_{Malloc、Free}

这个和PyMem_*中的3个可是大不一样了，复杂的厉害！

void * PyObject_Malloc(size_t nbytes)
void * PyObject_Realloc(void *p, size_t nbytes)
void PyObject_Free(void *p)

Python程序运行时频繁地需要创建和销毁小对象，为了避免大量的malloc和free操作，Python使用了内存池的技术。

• 一系列的 arena(每个管理256KB) 构成一个内存区域的链表
• 每个 arena 有很多个 pool(每个4KB) 构成
• 每次内存的申请释放将在一个 pool 内进行

单次申请内存块

当申请大小在 1~256 字节之间的内存时，使用内存池(申请0或257字节以上时，将退而使用我们前面提到的PyMem_Malloc)。

每次申请时，实际分配的空间将按照某个字节数对齐,下表中为8字节（比如PyObject_Malloc(20)字节将分配24字节）。

  Request in bytes     Size of allocated block      Size class idx
  ----------------------------------------------------------------
         1-8                     8                       0
         9-16                   16                       1
        17-24                   24                       2
        25-32                   32                       3
        33-40                   40                       4
         ...                   ...                     ...
       241-248                 248                      30
       249-256                 256                      31

       0, 257 and up: routed to the underlying allocator.

这些参数由一些宏进行控制：

#define ALIGNMENT               8               /* must be 2^N */
/* Return the number of bytes in size class I, as a uint. */
#define INDEX2SIZE(I) (((uint)(I) + 1) << ALIGNMENT_SHIFT)
#define SMALL_REQUEST_THRESHOLD 256

pool

每次申请的内存块都是需要在 pool 中进行分配，一个pool的大小是 4k。由下列宏进行控制：

#define SYSTEM_PAGE_SIZE        (4 * 1024)
#define POOL_SIZE               SYSTEM_PAGE_SIZE        /* must be 2^N */

每个pool的头部的定义如下：

struct pool_header {
    union { block *_padding;
            uint count; } ref;          /* number of allocated blocks    */
    block *freeblock;                   /* pool's free list head         */
    struct pool_header *nextpool;       /* next pool of this size class  */
    struct pool_header *prevpool;       /* previous pool       ""        */
    uint arenaindex;                    /* index into arenas of base adr */
    uint szidx;                         /* block size class index        */
    uint nextoffset;                    /* bytes to virgin block         */
    uint maxnextoffset;                 /* largest valid nextoffset      */
};

注意，其中有个成员 szidx，对应前面列表中最后一列的 Size class idx。这也说明一个问题：每个 pool 只能分配固定大小的内存块(比如，只分配16字节的块，或者只分配24字节的块...)。

要能分配前面列表中各种大小的内存块，必须有多个 pool。同一大小的pool分配完毕，也需要新的pool。多个pool依次构成一个链表

arena

多个pool对象使用被称为 arena 的东西进行管理。

struct arena_object {
    uptr address;
    block* pool_address;
    uint nfreepools;
    uint ntotalpools;
    struct pool_header* freepools;
    struct arena_object* nextarena;
    struct arena_object* prevarena;
};

arean控制的内存的大小由下列宏控制：

#define ARENA_SIZE              (256 << 10)     /* 256KB */

一系列的 arena 构成一个链表。

引用计数与垃圾收集

Python中多数对象的生命周期是通过引用计数来控制的，从而实现了内存的动态管理。

但是引用计数有一个致命的问题：循环引用！

为了打破循环引用，Python引入了垃圾收集技术。

这个好复杂啊...

参考

• http://docs.python.org/py3k/c-api/memory.html

• http://docs.python.org/py3k/c-api/allocation.html

• Python源码剖析，陈儒

文章来源：http://blog.csdn.net/dbzhang800/article/details/6685269

Python内存管理

本文基于Python2.7.5源码中的obmalloc.c模块

在 Python 的内部系统中，它的内存管理结构是以金子塔结构呈现的.如下图所示:

• 其中-1和-2这两层是跟操作系统来负责的,这里我们略过不表.
• 第0层就是我们平常在 C 中使用的 malloc, Python 不会直接使用它,而是会在此基础上做一个内存池.
• 第1层是 Python 自己在基于 malloc 的基础上构造的一个内存池.
• 第2和第3层是基于第1层的.每当 Python 内部需要使用内存时,会使用第1层做好的分配器来分配内存. 因此第1层是 Python 内部管理内存的主要地方.

作用

在 C 中如果频繁的调用 malloc 与 free 时,是会产生性能问题的.再加上频繁的分配与释放小块的内存会产生内存碎片. Python 在这里主要干的工作有:
1. 如果请求分配的内存在1~256字节之间就使用自己的内存管理系统,否则直接使用 malloc.
2. 这里还是会调用 malloc 分配内存,但每次会分配一块大小为256k的大块内存.
3. 经由内存池登记的内存到最后还是会回收到内存池,并不会调用 C 的 free 释放掉.以便下次使用.

内存池结构

如上图所示,整个黑框格子代表内存池(usedpools).每个单元格存放一个双向链表,每个链表的节点是一个大小为4k的内存块.在这个池中,每个单元格负责管理不同的小块内存.为了便于管理,每个单元格管理的内存块总是以8的倍数为单位.以如下代码为例:

PyObject_Malloc(3)

这里我们需要一块大小为3个字节的内存.它将定位到管理大小为8字节的单元格.然后返回大小8字节的内存.在这里 usedpools 有一个令人蛋疼的 ticky. usedpools 在初始化时用了如下代码:

#define PTA(x)  ((poolp )((uchar *)&(usedpools[2*(x)]) - 2*sizeof(block *)))
#define PT(x)   PTA(x), PTA(x)
static poolp usedpools[2 * ((NB_SMALL_SIZE_CLASSES + 7) / 8) * 8] = {
    PT(0), PT(1), PT(2), PT(3), PT(4), PT(5), PT(6), PT(7)
    ......
};

如上面所示使用了两个一组的指针来初始化 usedpools, 每次定位到单元格他使用的是 usedpools[idx+idx] 这样来定位的.我也不知道它为什么会使用这么蛋疼且令人费解的设计,连注释都这样写着:

It's unclear why the usedpools setup is so convoluted.

分配

PyObject_Malloc 函数首先会判断进来申请分配的字节数是否在 1<x<256 bytes 这个范围内.然后再从 usedpools 中的管理对应大小的 pool 拿到一块 block, 每个 pool 的大小是4k.每当使用完 pool 中的最后一个 block 时,它会将这个 pool 从 usedpools 剥离出去.
在调用 malloc 获取内存时,这里做了一层缓存(arenas).每次调用 malloc 会分配一块大小为256k的内存,然后将这块内存分解为一块一块大小为4k的 pool,每当 pool 中 block 用完后,就会重新从 arenas 拿一块 pool 并放入到 usedpools.

在获取空闲 block 时,这里使用了一个 ticky. pool 中的 freeblock 成员是指向一块空闲的 block. 但这个 freeblock 在空闲时,它里面存了一个地址这个地址指向下一块空闲的 block. 下一块空闲的 block 里同样也存放了一个空闲 block 的地址,以此往下推.直到最后的 block 指向 NULL 为止.

bp = pool->freeblock;
if ((pool->freeblock = *(block **)bp) != NULL) {
    UNLOCK();
    return (void *)bp;
}

如上面所示,拿到一块 block 后,直接获取 freeblock 里面存的地址,并指向它.

释放

在释放时会判断将要释放的内存是否属于 usedpools 管理.通常情况下它会直接将这块内存放到的 usedpools 对应 pools 中.如果发现这个 pools 中的 block 全部是 free 状态,它将会返到 arenas .如果 arenas 中的所有的 pool 都为 free 状态的话,则会直接调用 C 中的 free 函数将内存归还与操作系统.否则将这块 arenas 链接到 usable_arenas 正确的位置中.

文章来源：http://leyafo.logdown.com/posts/159345-python-memory-management