浅谈python垃圾回收机制

引入

​ 解释器在执行到定义变量的语法时，会申请内存空间来存放变量的值，而内存的容量是有限的，这就涉及到变量值所占用内存空间的回收问题，当一个变量值没有用了（简称垃圾）就应该将其占用的内存给回收掉，那什么样的变量值是没有用的呢？

​ 当我们定义一个变量时,假如name='will',此时name与will绑定在一起,我们可以通过name来获取'will',name直接或间接的引用了'will',当一个变量值不再绑定任何引用时,该变量自然就没任何利用价值,就应该被当成一个垃圾回收

​ 在c语言中,内存管理都是由程序员自己操作的,是非常耗费精力的事情,但在cpython中提供了垃圾回收机制,更好的让程序员做自己的事情

变量存放位置

​ 在python中可能很少的去直接接触到栈和堆,但学过java的我比较清楚栈和堆,要理解python中的垃圾回收机制,有必要了解到栈和堆的用途,无论是java还是python,栈和堆的作用都大同小异.

​ 栈用于存放一些变量引用之类的,而堆则存放对象深层的引用,说起来有点抽象,来看具体例子吧

​ 定义了变量 name = 'will',gender = 'male'

​ 当我们将name='william'时,原先name指向的will的地址则没有人引用了,一个地址在堆中如果没有栈的引用,则该地址无疑是一个无效的内存地址,垃圾回收机制就会回收该内存空间

垃圾回收机制原理分析

​ Python的GC模块主要运用了“引用计数”（reference counting）来跟踪和回收垃圾。在引用计数的基础上，还可以通过“标记-清除”（mark and sweep）解决容器对象可能产生的循环引用的问题，并且通过“分代回收”（generation collection）以空间换取时间的方式来进一步提高垃圾回收的效率。

​ 在上面的例子可以看出,当一个内存地址没有引用的时候,就变成了一个垃圾,也就是引用次数为0,假设我们上面定义的两个变量不动,再定义一个变量first_name,赋值为first_name = name,则will的引用计数为2

​ 无论是重新赋值还是del变量,引用计数都会减一,直到引用计数为0时,其占用的内存地址就应该被解释器的垃圾回收机制回收

循环引用计数的bug

​ 引用计数机制存在着一个致命的弱点，即循环引用（也称交叉引用）

# 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=['xxx']  # 列表1被引用一次，列表1的引用计数变为1
>>> l2=['yyy']  # 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 = ['xxx'的内存地址,列表2的内存地址]
# l2 = ['yyy'的内存地址,列表1的内存地址]
>>> l1
['xxx', ['yyy', [...]]]
>>> l2
['yyy', ['xxx', [...]]]
>>> l1[1][1][0]
'xxx'

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，什么意思呢？试想一下，请看如下操作

>>> 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

此时，只剩下列表1与列表2之间的相互引用

但此时两个列表的引用计数均不为0，但两个列表不再被任何其他对象关联，没有任何人可以再引用到它们，所以它俩占用内存空间应该被回收，但由于相互引用的存在，每一个对象的引用计数都不为0，因此这些对象所占用的内存永远不会被释放，所以循环引用是致命的，这与手动进行内存管理所产生的内存泄露毫无区别。 所以Python引入了“标记-清除” 与“分代回收”来分别解决引用计数的循环引用与效率低的问题

解决方案：标记-清除

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

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“无根之人”，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.

效率问题

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。

解决方案:分代回收

分代回收的核心思想是：在历经多次扫描的情况下，都没有被回收的变量，gc机制就会认为，该变量是常用变量，gc对其扫描的频率会降低

回收依然是使用引用计数作为回收的依据

虽然分代回收可以起到提升效率的效果，但也存在一定的缺点：

#例如一个变量刚刚从新生代移入青春代，该变量的绑定关系就解除了，该变量应该被回收，但青春代的扫描频率低于新生代，这就到导致了应该被回收的垃圾没有得到及时地清理。

没有十全十美的方案：
毫无疑问，如果没有分代回收，即引用计数机制一直不停地对所有变量进行全体扫描，可以更及时地清理掉垃圾占用的内存，但这种一直不停地对所有变量进行全体扫描的方式效率极低，所以我们只能将二者中和。

综上
垃圾回收机制是在清理垃圾&释放内存的大背景下，允许分代回收以极小部分垃圾不会被及时释放为代价，以此换取引用计数整体扫描频率的降低，从而提升其性能，这是一种以空间换时间的解决方案目录

参考链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/108683483