Python学习笔记-GC垃圾回收机制

Python 的垃圾回收（Garbage Collection，GC）机制主要包括引用计数、标记 - 清除、分代回收这三部分，以下是详细介绍：

引用计数

引用计数是Python最基本的垃圾回收方式，Python为每个对象维护一个引用计数，记录对象被引用的次数。

• 原理

• 当一个对象被创建并赋值给一个变量时，对象的引用计数加1，如 a = [1, 2, 3]，列表 [1, 2, 3] 的引用计数变为1。
• 当对象被其他变量引用时，引用计数再加1，比如 b = a，此时列表 [1, 2, 3] 的引用计数变为2。
• 当对象的引用被删除（变量被销毁或者变量重新赋值），引用计数减1，例如 del a，列表 [1, 2, 3] 的引用计数变为1 。
• 当对象的引用计数变为0时，Python解释器会立即回收该对象所占用的内存空间。
• 优点

• 实时性
  能即时回收不再使用的对象，内存管理的响应速度快，不会造成大量内存碎片。
• 简单高效
  实现原理简单，对大多数简单的对象回收场景，开销较小。
• 缺点

• 无法处理循环引用
  当对象之间存在循环引用时，尽管从外部来看这些对象已经不再被使用，但引用计数永远不会变为0，导致内存泄漏。例如两个对象互相引用：

classNode:def__init__(self):self.next = Nonea = Node()b = Node()a.next = bb.next = adel adel b

这里a和b形成循环引用，即使外部不再有对它们的引用，它们占用的内存也无法通过引用计数回收。

标记 - 清除

标记 - 清除算法是为了解决引用计数无法处理循环引用问题而引入的。

• 原理

• 标记阶段
  从一组被称为“根对象”（GC Roots）的对象集合开始，遍历整个对象图，标记所有从根对象可达的对象。根对象包括全局变量、函数栈中的局部变量等。
• 清除阶段
  遍历整个堆内存，回收所有未被标记的对象，因为这些未被标记的对象意味着从根对象无法访问到，也就是不再被使用。
• 优点
  有效解决了循环引用导致的内存泄漏问题。
• 缺点

• 暂停时间
  在标记和清除过程中，需要暂停程序的执行，可能会对程序的实时性产生一定影响。
• 扫描开销
  每次回收都需要遍历整个堆内存，对于大型程序来说，这会带来一定的性能开销。

分代回收

分代回收是基于对象存活时间的一种优化策略，Python将对象分为0代、1代、2代三个“代”。

• 原理

• 对象分代
  新创建的对象都放在0代，当0代对象数量达到一定阈值（默认为700），会触发0代的垃圾回收，回收短命对象。存活下来的对象会被移到1代。
• 代际回收
  每进行10次0代的垃圾回收，会触发1代的垃圾回收，回收较老的对象，存活下来的对象移到2代。每进行10次1代的垃圾回收，会触发2代的垃圾回收，回收所有对象。因为通常情况下，存活时间越长的对象，越有可能一直被使用，所以2代的扫描频率最低，以此来提高垃圾回收的整体效率。
• 优点

• 提高效率
  通过对不同代的对象采用不同的回收频率，减少了不必要的扫描，提高了垃圾回收的效率。
• 适应对象生命周期特点
  符合大多数程序中对象的生命周期模式，新创建的对象往往很快就不再使用，而老对象则更倾向于长期存活。
• 缺点

• 复杂度增加
  分代回收机制增加了垃圾回收系统的复杂度，需要维护不同代的对象集合和回收策略。
• 参数调整
  不同的应用场景可能需要调整分代回收的阈值等参数，如果参数设置不当，可能会影响垃圾回收的效果和性能。

流程图

               ┌───────────────────────────┐               │   对象创建 (new object)    │               └─────────────┬─────────────┘                             │                             ▼                   ┌──────────────────┐                   │ 引用计数机制      │                   │ (Reference Count)│                   └───────┬──────────┘                           │       ┌───────────────────┼───────────────────┐       │                   │                   │       ▼                   ▼                   ▼引用计数 > 0        引用计数 = 0        循环引用 (A↔B)(继续存活)          (立即释放对象)       (引用计数无法归零)                                               │                                               ▼                              ┌─────────────────────────┐                              │   标记-清除 (Mark-Sweep) │                              │   (检测不可达对象)       │                              └─────────────┬───────────┘                                            │                                            ▼                              ┌─────────────────────────┐                              │   分代回收 (Generational)│                              │   三代: 0代/1代/2代     │                              └─────────────┬───────────┘                                            │          ┌─────────────────────────────────┼────────────────────────────────┐          ▼                                 ▼                                ▼   ┌─────────────┐                  ┌─────────────┐                  ┌─────────────┐   │   0代 (young)│──幸存对象晋升──▶ │   1代 (middle)│──幸存对象晋升──▶ │   2代 (old)   │   └───────┬─────┘                  └───────┬─────┘                  └───────┬─────┘           │                                │                                │阈值触发(默认700) → 回收短命对象   每10次0代GC触发1次   每10次1代GC触发1次           │                                │                                │           ▼                                ▼                                ▼   ┌─────────────┐                  ┌─────────────┐                  ┌─────────────┐   │  0代 GC     │                  │  1代 GC     │                  │  2代 GC     │   │  快速清理   │                  │  清理更老对象│                  │  全面清理   │   └─────────────┘                  └─────────────┘                  └─────────────┘

相关的Python标准库函数

在Python中，可以使用gc模块来操作和控制垃圾回收机制：

• gc.enable()
  启用垃圾回收机制。
• gc.disable()
  禁用垃圾回收机制，一般不建议在正常开发中使用，可能会导致内存泄漏。
• gc.collect([generation])
  手动触发垃圾回收，可以指定代际，如gc.collect(2) 表示触发2代的垃圾回收。
• gc.set_threshold(threshold0[, threshold1[, threshold2]])
  设置分代回收的阈值，如gc.set_threshold(700, 10, 10) 。