大师兄的Python源码学习笔记(五十二）: Python的内存管理机制(七）
大师兄的Python源码学习笔记(五十四）: Python的内存管理机制(九）
五、Python中的垃圾收集
- 由于在Python中，内存管理的主要手段是引用计数，而标记——清除和分代收集只是为了打破循环引用而引入的补充技术。
- 这意味着Python中的垃圾收集只关注可能会产生循环引用的对象。
- 显然，像PyIntObject和PyStringObject这些对象是不会产生循环引用的，因为他们它们内部不可能持有对其它对象的引用。
- Python中的循环引用总是发生在container对象之间，比如：list、dict、class、instance等等。
- 为了达到这一点，Python必须跟踪所创建的每一个container对象，并将这些对象组织到一个集合中，才能将垃圾收集的动作限制在这些对象上。
- 实际上Python采用了一个双向链表，所有的container对象在创建之后，都会被插入到这个链表中。
1. 可收集对象链表
- 我们已经知道，任何一个Python对象都分为两部分：
- 一部分是PyObject_HEAD；
- 另一部分是对象自身的数据。
- 除此之外，为了将这个对象链入到Python内部的可收集对象链表中，成为一个可收集对象，还需要在PyObject_HEAD之前加入PyGC_Head。
Include/objimpl.h
typedef union _gc_head {
struct {
union _gc_head *gc_next;
union _gc_head *gc_prev;
Py_ssize_t gc_refs;
} gc;
double dummy; /* force worst-case alignment */
} PyGC_Head;
- 所以，对于Python所创建的可收集container对象，其内存分布与我们之前所了解的内存布局不同:
Modules/gcmodule.c
PyObject *
_PyObject_GC_New(PyTypeObject *tp)
{
PyObject *op = _PyObject_GC_Malloc(_PyObject_SIZE(tp));
if (op != NULL)
op = PyObject_INIT(op, tp);
return op;
}
Modules/gcmodule.c
PyObject *
_PyObject_GC_Malloc(size_t basicsize)
{
return _PyObject_GC_Alloc(0, basicsize);
}
Modules/gcmodule.c
#define _PyGC_REFS_UNTRACKED (-2)
#define GC_UNTRACKED _PyGC_REFS_UNTRACKED
static PyObject *
_PyObject_GC_Alloc(int use_calloc, size_t basicsize)
{
PyObject *op;
PyGC_Head *g;
size_t size;
if (basicsize > PY_SSIZE_T_MAX - sizeof(PyGC_Head))
return PyErr_NoMemory();
size = sizeof(PyGC_Head) + basicsize;
if (use_calloc)
g = (PyGC_Head *)PyObject_Calloc(1, size);
else
g = (PyGC_Head *)PyObject_Malloc(size);
if (g == NULL)
return PyErr_NoMemory();
g->gc.gc_refs = 0;
_PyGCHead_SET_REFS(g, GC_UNTRACKED);
_PyRuntime.gc.generations[0].count++; /* number of allocated GC objects */
if (_PyRuntime.gc.generations[0].count > _PyRuntime.gc.generations[0].threshold &&
_PyRuntime.gc.enabled &&
_PyRuntime.gc.generations[0].threshold &&
!_PyRuntime.gc.collecting &&
!PyErr_Occurred()) {
_PyRuntime.gc.collecting = 1;
collect_generations();
_PyRuntime.gc.collecting = 0;
}
op = FROM_GC(g);
return op;
}
- 从上面代码中可以看到，当Python为可收集的container对象申请内存空间时，也为PyGC_Head申请/分配了内存空间，并且在container对象之前。
- 此时，container对象的内存分布推测图如下：
- 从上图可以看到container对象内存分为三部分：
- PyGC_Head用于垃圾收集；
- PyObject_Head是所有对象都有的头文件；
- Container object包含container对象自身的数据。
- 在PyGC_Head部分，除了两个用于建立链表结构的双向指针外，还有一个gc_ref，这个值被初始化为GC_UNTRACKED ，它对于垃圾收集是至关重要的。
- 当垃圾收集机制运行期间，需要在一个可收集的container对象的PyGC_Head部分和PyObject_HEAD部分来回转换。
- 因此Python提供了一个对象在PyObject_HEAD和PyGC_Head两个地址之间的转换算法：
Modules/gcmodule.c
/* Get an object's GC head */
#define AS_GC(o) ((PyGC_Head *)(o)-1)
/* Get the object given the GC head */
#define FROM_GC(g) ((PyObject *)(((PyGC_Head *)g)+1))
Include/objimpl.h
#define _Py_AS_GC(o) ((PyGC_Head *)(o)-1)
- 在PyGC_Head中，出现了用于建立链表的两个指针，只有将创建的可收集container对象链接到Python内部维护的可收集对象链表中，Python的垃圾收集机制才能跟踪和处理这个container对象。
- 但实际上在创建可收集container对象之时，并没有立即将这个对象链接到链表之中。
- 这个动作是发生在创建某个container对象的最后一步，以PySliceObject为例：
Objects/sliceobject.c
PyObject *
PySlice_New(PyObject *start, PyObject *stop, PyObject *step)
{
PySliceObject *obj;
if (slice_cache != NULL) {
obj = slice_cache;
slice_cache = NULL;
_Py_NewReference((PyObject *)obj);
} else {
obj = PyObject_GC_New(PySliceObject, &PySlice_Type);
if (obj == NULL)
return NULL;
}
if (step == NULL) step = Py_None;
Py_INCREF(step);
if (start == NULL) start = Py_None;
Py_INCREF(start);
if (stop == NULL) stop = Py_None;
Py_INCREF(stop);
obj->step = step;
obj->start = start;
obj->stop = stop;
_PyObject_GC_TRACK(obj);
return (PyObject *) obj;
}
- 在创建container对象的最后一步，Python通过_PyObject_GC_TRACK将所创建的container对象链接到Python中的可收集对象链表中：
Include/objimpl.h
/* Tell the GC to track this object. NB: While the object is tracked the
* collector it must be safe to call the ob_traverse method. */
#define _PyObject_GC_TRACK(o) do { \
PyGC_Head *g = _Py_AS_GC(o); \
if (_PyGCHead_REFS(g) != _PyGC_REFS_UNTRACKED) \
Py_FatalError("GC object already tracked"); \
_PyGCHead_SET_REFS(g, _PyGC_REFS_REACHABLE); \
g->gc.gc_next = _PyGC_generation0; \
g->gc.gc_prev = _PyGC_generation0->gc.gc_prev; \
g->gc.gc_prev->gc.gc_next = g; \
_PyGC_generation0->gc.gc_prev = g; \
} while (0);
- 在define _PyObject_GC_TRACK后，我们创建的container对象已经置于Python垃圾收集机制的掌控之中了。
- 同样，Python还提供一个将container对象从链表中摘除的方法，它是define _PyObject_GC_TRACK的逆运算，这个方法在对象被销毁时调用：
Include/objimpl.h
/* Tell the GC to stop tracking this object.
* gc_next doesn't need to be set to NULL, but doing so is a good
* way to provoke memory errors if calling code is confused.
*/
#define _PyObject_GC_UNTRACK(o) do { \
PyGC_Head *g = _Py_AS_GC(o); \
assert(_PyGCHead_REFS(g) != _PyGC_REFS_UNTRACKED); \
_PyGCHead_SET_REFS(g, _PyGC_REFS_UNTRACKED); \
g->gc.gc_prev->gc.gc_next = g->gc.gc_next; \
g->gc.gc_next->gc.gc_prev = g->gc.gc_prev; \
g->gc.gc_next = NULL; \
} while (0);
-
在Python运行的某个时刻，所建立起来的可收集对象链表如下：
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