03 垃圾回收机制详解

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一. 什么是垃圾回收机制

• 垃圾回收机制(简称 GC), python 解释器自带的一种机制

• 它是一种动态存储管理技术, 自动释放不再被程序引用的对象所占用的内存空间

二. 为什么要有垃圾回收机制

• 程序的运行过程中会申请大量的内存空间
• 对于一些无用的空间如果不及时清理的话会导致内存溢出(不够用), 程序就会崩溃
• 管理内存是非常复杂的事情, 垃圾回收机制就把程序员从复杂的内存管理中解放出啦

三. 垃圾回收机制的原理

1. 引用计数

引用计数就是变量名与变量值的关联次数, 以此来跟踪和回收垃圾

• 直接引用

🌴通过变量名直接引用
x = 18  #18 被引用了一次, 计数为 1
y = x   #18 被引用加 1 次, 计数为 2
z = y   #18 被引用加 1 次, 计数为 3
print(id(x))  #140725488808736
print(id(y))  #140725488808736
print(id(z))  #140725488808736

• 间接引用

🌴容器对其的引用都是间接
x = 18                 #18 被引用一次, 计数为 1
li = [1,2,x]           #通过列表引用, 计数加 1, 为 2
dic = {'age': x}       #通过字典引用, 计数加 1, 为 3
print(id(x))           #140725486514976
print(id(li[2]))       #140725486514976 列表引用, 计数 4
print(id(dic['age']))  #140725486514976 字典引用, 计数 5

2. 栈区 / 堆区

• 栈区 : 存放的是变量名与变量值的内存地址 映射关系
• 堆区 : 存放的是值 真正的位置

3. 总结

• 直接引用指的是从栈区出发直接引用到的内存地址
• 间接引用指的是从栈区出发引用到堆区后，再通过进一步引用才能到达的内存地址

四. 标记清除

1. 循环引用问题(也叫交叉引用)

🌴我们先定义列表
l1=[0]  # 列表 1 被引用一次，列表 1 的引用计数变为 1   
l2=[1]  # 列表 2 被引用一次，列表 2 的引用计数变为 1   

🌴将列表加入另一个列表
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

🌴解除比变量名 "l1" 和 "l2" 与值的对应关系
del l1
del l2

3. 循环引用导致的结果

• 值不再被任何名字关联，但是值的引用计数并不会为 0
• 应该被回收但又不能被回收

4. 解决方法 : 清除 - 标记

• 容器对象的的引用都有可能产生循环引用, 而清除 - 标记就是为解决这个问题的
• 当应用程序可用空间被耗尽时, 清除 - 标记会停止整个程序, 然后先标记, 再清除

🌴标记
但凡是可以从栈区出发, 找到对应堆区内容的 (直接或间接引用) 就标记存活, 非存活则清除
具体点：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

🌴清除
遍历堆中的对象, 将没有标记存活的对象都清理掉

五. 分代回收

1. 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。

2. 解决方法 : 分代回收

• 分代

🌴分代指的是根据变量的存活时间来划分他们的等级
🌴一个变量经常被引用, 等级 (权重) 就会提高, 权重达到设定值就会进入下一个等级
🌴当经过多次扫描都没有被回收,"GC 机制 " 就会认为该变量是常量
🌴于是对其的扫描频率会降低

• 回收

🌴当计数降低, 就容易被回收
🌴分代回收可以起到提升效率的效果, 但也存在一定的缺点：🐏比如一个变量刚从低等级转入高等级, 它就被解除了绑定关系
    🐏它应该被回收, 但高等级扫描频率低于低等级
    🐏那么这个已被解除绑定关系的变量无法及时得到清理

• 总结

🌴垃圾回收机制是在清理垃圾和释放内存的前提下
🌴允许一些垃圾不被释放为代价(就是等级权重高点的垃圾不会及时被清理)
🌴以此换取引用计数扫描频率的降低, 从而提升其性能
🌴这是一种以空间换时间的解决方案