Python：垃圾回收

2021 年 3 月 13 日
筆記
Python

有很多不同的方法來實現垃圾回收，例如跟蹤，引用計數，轉義分析，時間戳和心跳訊號等。不同的語言依賴於不同的垃圾回收實現，例如，有些將其與編譯器和運行時系統集成在一起。而其他語言則可能需要事後設置，甚至可能需要重新編譯。Python中垃圾收集器使用基於引用計數的方法。它在程式執行期間運行，並在對象的引用計數達到0時開始工作。

1、引用管理

首先，記憶體管理是基於引用的管理。我們知道Python中，引用與對象是分離的，一個對象可以有多個引用，而每個對象都存有指向自己的引用計數。可以使用標準庫sys查看某個對象的引用計數：

from sys import getrefcount

a = [1,2,3]
print(getrefcount(a)) # 列印2

b = a
print(getrefcount(a)) # 列印3

由於調用getrefcount()時又創建了一次引用，所以列印的引用計數會比實際多一個。

2、對象引用對象

Python中對象會引用別的對象，而容器對象的引用會構成很複雜的拓撲結構：

l = [1,2,3]
d = {"k": l}

y = [l, d]
z = [y,(l,y)]

使用 objgraph 包可以繪製引用關係：

...
import objgraph
objgraph.show_refs([z], filename='sample-graph.png')

繪製的 z 對象的引用圖如下：

3、引用環

兩個對象相互引用，即構成了所謂的引用環：

a = []
b = [a]
a.append(b)

objgraph.show_refs([a,b], filename='a-b.png')

即使是單個對象，只需自己引用自己，也會構成引用環：

a = []
a.append(a)

objgraph.show_refs([a], filename='a-b.png')

del關鍵字除了可以刪除容器中的元素，還可以刪除某個引用。

4、垃圾回收

CPython中的記憶體管理和垃圾回收有兩個策略：

引用計數
分代回收

4.1 引用計數

CPython中主要的垃圾收集機制是通過引用計數，且引用計數無法被禁用，而後面談到的分代回收策略則可以禁止。

原理上，Python的某個對象的引用計數變為0時，就要成為被回收的垃圾了。例如：

a = [1,2,3]
del a

當垃圾回收啟動時，Python掃描到這個引用計數為0的對象，會將其所佔據的記憶體清空。而垃圾回收是個費時費力的事，垃圾回收期間Python不能進行其他任務。頻繁的垃圾回收會大大降低Python的效率，所以Python只會在特定條件下啟動垃圾回收。Python運行時，會記錄其中分配對象和取消分配對象的次數，當兩者差值高於某個閾值，垃圾回收才會啟動。

有人說引用計數是一個窮人的垃圾收集器。它確實有一些缺點，包括無法檢測到循環引用。但是，引用計數的優點是，你可以在沒有引用的情況下立即刪除該對象。

4.2 分代回收

除了上面這種實時的，自動的基於引用計數的垃圾回收實現方法，Python還同時採用分代回收策略，這一次略的基本假設是，存活時間越久的對象，越不可能在以後成為垃圾。Python將所有對象分為三代，所有新建對象都是0代，如果經過一次掃描沒被回收即成為了1代，以此類推。

Python的基於引用計數的方法是自動的，並且是實時發生的，而分代垃圾回收模組的操作是周期性的，可以手動調用，常用API：

get_shreshold()方法可以查看觸發垃圾收集的閾值：
gc.get_count（）方法可以查看記憶體中當前存在的各代對象數量
gc.set_threshold（）方法可以更改觸發垃圾收集的閾值

>>> import gc
>>> print(gc.get_threshold())    # (700, 10, 10)
>>> gc.set_threshold(700.10,5) # 2代垃圾回收會更頻繁
>>> gc.collect() # 手動觸發垃圾回收

對於每一代，垃圾收集器模組都有一個閾值對象。如果對象數超過該閾值，則垃圾收集器將觸發收集過程，在該過程中倖存下來的對象會被歸為下一代。默認情況下，Python對於最年輕的一代的閾值為700，對於兩個較老的一代中的每個閾值為10。

引用環的回收

分代回收策略可以可以檢測和解決引用環問題，在Python 1.5中引入了循環檢測演算法，它跟蹤容器對象，即可以容納其他對象（例如列表，字典，類等）的對象，因為只有它們才能創建此這種引用環。

循環檢測演算法的基本原理是：Python會複製每個對象的引用計數，記為gc_ref。假設每個對象為i，該對象的計數為gc_ref_i。Python會遍歷所有的對象i，對於每個對象i所引用的對象j，將j的gc_ref_j減1：

遍歷後，gc_ref不為0的對象及這些對象引用的對象，以及更下游的對象會被保留，而引用環中的對象會被回收。

參考

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