首先要記住一句話：

“Python采用的是引用計(jì)數(shù)機(jī)制為主，標(biāo)記清除和分代收集兩種機(jī)制為輔的策略疼阔。”

引用計(jì)數(shù)器

首先來(lái)了解一下引用計(jì)數(shù)器半夷，因?yàn)槭?strong>以引用計(jì)數(shù)器為主的機(jī)制婆廊。

1.環(huán)狀雙向鏈表

在Python中，有一個(gè)環(huán)狀的雙向鏈表叫refchain巫橄，任何對(duì)象都會(huì)被放在這個(gè)環(huán)狀雙向鏈表中淘邻。

name = "cat"
age = 10
hobby = ["eat fish", "sleep"]

上面的代碼一執(zhí)行，會(huì)創(chuàng)建三個(gè)對(duì)象湘换，一個(gè)字符串對(duì)象宾舅，一個(gè)整型對(duì)象，一個(gè)列表對(duì)象彩倚，這三個(gè)對(duì)象都會(huì)被放到這個(gè)鏈表中筹我。

當(dāng)python代碼遇到name = "cat"，內(nèi)部會(huì)創(chuàng)建一些數(shù)據(jù)（C語(yǔ)言源碼是創(chuàng)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)體）：上一個(gè)對(duì)象帆离，下一個(gè)對(duì)象蔬蕊，類(lèi)型，引用的個(gè)數(shù)等等哥谷，當(dāng)前對(duì)象的類(lèi)型是字符串岸夯，引用的個(gè)數(shù)是1，因?yàn)閚ame這個(gè)變量名引用了當(dāng)前這個(gè)對(duì)象们妥，如果new = name猜扮，那么這個(gè)引用計(jì)數(shù)會(huì)加一。

如果這個(gè)對(duì)象是由多個(gè)元素組成的监婶，還會(huì)有一個(gè)值記錄它的元素個(gè)數(shù)旅赢。

C的源碼：

#define PyObject_HEAD       PyObject ob_base;
#define PyObject_VAR_HEAD      PyVarObject ob_base;
// 宏定義，包含 上一個(gè)压储、下一個(gè)鲜漩，用于構(gòu)造雙向鏈表用源譬。(放到refchain鏈表中時(shí)集惋，要用到)
#define _PyObject_HEAD_EXTRA            \
    struct _object *_ob_next;           \
    struct _object *_ob_prev;
typedef struct _object {
    _PyObject_HEAD_EXTRA // 用于構(gòu)造雙向鏈表
    Py_ssize_t ob_refcnt;  // 引用計(jì)數(shù)器
    struct _typeobject *ob_type;    // 數(shù)據(jù)類(lèi)型
} PyObject;
typedef struct {
    PyObject ob_base;   // PyObject對(duì)象
    Py_ssize_t ob_size; /* Number of items in variable part，即：元素個(gè)數(shù) */
} PyVarObject;

如果是不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)踩娘，內(nèi)部會(huì)創(chuàng)建以下的內(nèi)容：

• float類(lèi)型

  typedef struct {
      PyObject_HEAD
      double ob_fval;
  } PyFloatObject;

• int類(lèi)型

  struct _longobject {
      PyObject_VAR_HEAD
      digit ob_digit[1];
  };
  /* Long (arbitrary precision) integer object interface */
  typedef struct _longobject PyLongObject; /* Revealed in longintrepr.h */

• str類(lèi)型

  typedef struct {
      PyObject_HEAD
      Py_ssize_t length;          /* Number of code points in the string */
      Py_hash_t hash;             /* Hash value; -1 if not set */
      struct {
          unsigned int interned:2;
          /* Character size:
         - PyUnicode_WCHAR_KIND (0):
           * character type = wchar_t (16 or 32 bits, depending on the
             platform)
         - PyUnicode_1BYTE_KIND (1):
           * character type = Py_UCS1 (8 bits, unsigned)
           * all characters are in the range U+0000-U+00FF (latin1)
           * if ascii is set, all characters are in the range U+0000-U+007F
             (ASCII), otherwise at least one character is in the range
             U+0080-U+00FF
         - PyUnicode_2BYTE_KIND (2):
           * character type = Py_UCS2 (16 bits, unsigned)
           * all characters are in the range U+0000-U+FFFF (BMP)
           * at least one character is in the range U+0100-U+FFFF
         - PyUnicode_4BYTE_KIND (4):
           * character type = Py_UCS4 (32 bits, unsigned)
           * all characters are in the range U+0000-U+10FFFF
           * at least one character is in the range U+10000-U+10FFFF
         */
          unsigned int kind:3;
          unsigned int compact:1;
          unsigned int ascii:1;
          unsigned int ready:1;
          unsigned int :24;
      } state;
      wchar_t *wstr;              /* wchar_t representation (null-terminated) */
  } PyASCIIObject;
  typedef struct {
      PyASCIIObject _base;
      Py_ssize_t utf8_length;     /* Number of bytes in utf8, excluding the
                                   * terminating \0. */
      char *utf8;                 /* UTF-8 representation (null-terminated) */
      Py_ssize_t wstr_length;     /* Number of code points in wstr, possible
                                   * surrogates count as two code points. */
  } PyCompactUnicodeObject;
  typedef struct {
      PyCompactUnicodeObject _base;
      union {
          void *any;
          Py_UCS1 *latin1;
          Py_UCS2 *ucs2;
          Py_UCS4 *ucs4;
      } data;                     /* Canonical, smallest-form Unicode buffer */
  } PyUnicodeObject;

• list類(lèi)型

  typedef struct {
      PyObject_VAR_HEAD
      PyObject **ob_item;
      Py_ssize_t allocated;
  } PyListObject;

• tuple類(lèi)型

  typedef struct {
      PyObject_VAR_HEAD
      PyObject *ob_item[1];
  } PyTupleObject;

• dict類(lèi)型

  typedef struct {
      PyObject_HEAD
      Py_ssize_t ma_used;
      PyDictKeysObject *ma_keys;
      PyObject **ma_values;
  } PyDictObject;

其中：

• _ob_next ： refchian中的上一個(gè)對(duì)象
• _ob_prev：refchain中的下一個(gè)對(duì)象
• ob_refnt：引用計(jì)數(shù)器
• ob_type：是當(dāng)前對(duì)象的類(lèi)型
• ob_fval：是這個(gè)對(duì)象的值

當(dāng)python運(yùn)行程序時(shí)刮刑，會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同找到它對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體喉祭，根據(jù)結(jié)構(gòu)體中的字段來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將這個(gè)對(duì)象添加到refchain中雷绢。

大體機(jī)制：
每個(gè)對(duì)象中有ob_refcnt就是引用計(jì)數(shù)器泛烙，默認(rèn)值為1，當(dāng)有其他變量引用對(duì)象時(shí)翘紊，引用計(jì)數(shù)器的值會(huì)增加蔽氨，如果引用這個(gè)對(duì)象的變量被刪除或者引用別的對(duì)象了，那么這個(gè)引用計(jì)數(shù)器的值會(huì)減小帆疟，當(dāng)引用計(jì)數(shù)器的值變?yōu)?時(shí)鹉究，意味著沒(méi)有變量在使用這個(gè)對(duì)象了，那么這個(gè)對(duì)象就變成了需要被刪除的垃圾踪宠，系統(tǒng)就會(huì)將這個(gè)對(duì)象從refchian里面移除自赔，將對(duì)象銷(xiāo)毀，把這塊內(nèi)存還給系統(tǒng)柳琢。

2.單純使用引用計(jì)數(shù)器進(jìn)行垃圾回收的問(wèn)題：循環(huán)引用

如果是這樣的一個(gè)代碼：

# refchian中創(chuàng)建一個(gè)列表對(duì)象绍妨，因?yàn)関1=對(duì)象，所以對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器為1
v1 = [11,22,33]
# 同理為1
v2 = [44,55,66]
# 把v2追加到v1中柬脸，那么[11,22,33]的引用計(jì)數(shù)器就會(huì)加一他去，變?yōu)?
v1.append(v2)
# 同理為2
v2.append(v1)

這時(shí)候，如果刪除了變量v1和變量v2：

# [11,22,33] 的引用計(jì)數(shù)器減一倒堕，變?yōu)?
del v1
# [44,55,66]同理為1
del v2

這時(shí)候就會(huì)有一個(gè)問(wèn)題孤页，就是已經(jīng)沒(méi)有變量引用對(duì)象[11,22,33]和[44,55,66]了，但是因?yàn)樗麄兊囊糜?jì)數(shù)器不為0涩馆，這兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)存空間沒(méi)有被回收行施，所以他們會(huì)永遠(yuǎn)在內(nèi)存中，而又永遠(yuǎn)不會(huì)被使用到魂那。

所以為了解決這個(gè)問(wèn)題蛾号，就有了標(biāo)記清除。

標(biāo)記清除

標(biāo)記清除就是為了解決引用計(jì)數(shù)器循環(huán)引用的問(wèn)題涯雅。

實(shí)習(xí)方法就是在Python的底層再去維護(hù)一個(gè)環(huán)形雙向鏈表鲜结，這個(gè)鏈表用來(lái)存放可能存在循環(huán)引用問(wèn)題的對(duì)象。（只有對(duì)象可以再放其他元素的對(duì)象才會(huì)出現(xiàn)循環(huán)引用問(wèn)題活逆，列表精刷，字典，元組和集合）

在Python內(nèi)部蔗候，在某種情況下怒允，回去掃描這個(gè)存放可能存在循環(huán)引用問(wèn)題的對(duì)象的鏈表，如果發(fā)現(xiàn)有循環(huán)引用锈遥，就把雙方的引用計(jì)數(shù)器都減一纫事，如果引用計(jì)數(shù)器減為0勘畔，回收內(nèi)存。

但是標(biāo)記清除也存在問(wèn)題：

• 什么時(shí)候會(huì)掃描一次
• 掃描一次存在耗時(shí)久的問(wèn)題

所以又引入了分代回收丽惶。

分代回收

實(shí)現(xiàn)方式就是把標(biāo)記清除的那個(gè)鏈表分成了三個(gè)鏈表炫七，這三個(gè)鏈表分別是：0代，1代钾唬，2代万哪。

• 當(dāng)0代中的對(duì)象個(gè)數(shù)超過(guò)700個(gè)，掃描一次0代抡秆。
• 0代如果掃描10次壤圃，則1代掃描一次。
• 1代掃描10次琅轧，2代掃描一次伍绳。

三個(gè)鏈表的閾值是不同的，0代是對(duì)象個(gè)數(shù)乍桂，1代和2代都是前一代的掃描次數(shù)冲杀。

總結(jié)

在Python中維護(hù)了一個(gè)叫refchain的雙向環(huán)狀鏈表，這個(gè)鏈表用來(lái)存儲(chǔ)程序創(chuàng)建的所有對(duì)象睹酌，每種類(lèi)型的對(duì)象都有一個(gè)ob_refcnt引用計(jì)數(shù)器的值权谁，當(dāng)有變量引用對(duì)象時(shí)，引用計(jì)數(shù)器的值就會(huì)加一憋沿，當(dāng)引用對(duì)象的變量減少了的時(shí)候旺芽，引用計(jì)數(shù)器的值就會(huì)減一，當(dāng)引用計(jì)數(shù)器變?yōu)?時(shí)辐啄，就會(huì)進(jìn)行垃圾回收采章。

但是在Python中，對(duì)于有多個(gè)元素組成的對(duì)象壶辜，可能還會(huì)有循環(huán)引用的問(wèn)題悯舟，為了解決這個(gè)問(wèn)題，Python又引用了標(biāo)記清除和分代回收砸民，所以在Python內(nèi)部實(shí)際上要維護(hù)四個(gè)雙向環(huán)狀鏈表抵怎，分別是：

• refchian
• 0代 700個(gè)
• 1代 0代掃描10次
• 2代 1代掃描10次
  在源碼內(nèi)部，當(dāng)達(dá)到各自的閾值時(shí)岭参，就會(huì)掃描鏈表反惕，發(fā)現(xiàn)循環(huán)引用就會(huì)想相關(guān)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器減一，如果引用計(jì)數(shù)器的值被減為0演侯，那么這個(gè)對(duì)象就會(huì)被銷(xiāo)毀姿染，這個(gè)對(duì)象占用的內(nèi)存空間就會(huì)被回收。

優(yōu)化：緩存

在Python內(nèi)部蚌本，源碼對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化盔粹，這個(gè)優(yōu)化就是緩存。

1.內(nèi)存池

為了避免重復(fù)創(chuàng)建和銷(xiāo)毀一些常見(jiàn)對(duì)象程癌，就會(huì)維護(hù)一個(gè)內(nèi)存池舷嗡。

在啟動(dòng)Python解釋器時(shí)，內(nèi)部會(huì)自動(dòng)為我們創(chuàng)建-5~256這些數(shù)字放到內(nèi)存池中嵌莉，如果有變量需要指向這些值进萄，內(nèi)存不會(huì)開(kāi)辟新的內(nèi)存，直接從內(nèi)存池中取锐峭。

所以如果：

v1 = 8
v2 = 8

打印一下v1和v2的id中鼠，會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的id是相同的。

而且內(nèi)存池中的對(duì)象沿癞，他們的引用計(jì)數(shù)器不會(huì)變?yōu)?援雇，因?yàn)槌跏蓟臅r(shí)候，他們的引用計(jì)數(shù)器就為1椎扬，這時(shí)候沒(méi)有變量引用他們惫搏，所以當(dāng)引用他們的變量引用后又不再引用他們的時(shí)候，他們的引用計(jì)數(shù)器也不會(huì)變?yōu)?蚕涤。

2.free_list

當(dāng)一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器變?yōu)?時(shí)筐赔，先不回收，而是把這個(gè)對(duì)象放到free_list中揖铜，當(dāng)作緩存茴丰，這樣再創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，就不開(kāi)辟新的內(nèi)存天吓，直接使用free_list中的對(duì)象的內(nèi)存贿肩，把這塊內(nèi)存初始化，再把這個(gè)對(duì)象放到refchain中龄寞。

當(dāng)然這個(gè)緩沖池也是有大小限制的尸曼，如果一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)器變?yōu)?，而此時(shí)緩沖池也已經(jīng)滿了萄焦，那么這個(gè)對(duì)象還是會(huì)被直接銷(xiāo)毀的控轿。

float，list拂封，tuple茬射，dict采用這種機(jī)制。

• float類(lèi)型冒签，維護(hù)的free_list鏈表最多可緩存100個(gè)float對(duì)象在抛。
• list類(lèi)型，維護(hù)的free_list鏈表最多可緩存80個(gè)list對(duì)象萧恕。
• dict類(lèi)型刚梭，維護(hù)的free_list鏈表最多可緩存80個(gè)dict對(duì)象肠阱。

tuple類(lèi)型的比較特殊，可以理解為如果是tuple類(lèi)型的朴读，free_list的容量為20屹徘，這時(shí)候的free_list有20個(gè)index，index從0到19衅金，每個(gè)索引位置都存放了一個(gè)鏈表噪伊，index為0的位置，存放的是空元組氮唯，index為1的位置存放的是元組長(zhǎng)度為1的元組鉴吹，這樣以此類(lèi)推。每一個(gè)鏈表都可以存放2000個(gè)元組惩琉。

字符串類(lèi)型的有兩種優(yōu)化方式：
1.字符池
2.字符串駐留機(jī)制

• 字符池就是和int的內(nèi)存池類(lèi)似豆励，python內(nèi)部會(huì)將ASCII的所有字符存在一個(gè)叫unicode_latin[256]的鏈表中。
• 字符串駐留機(jī)制：python會(huì)將只有字母瞒渠、數(shù)字肆糕、下劃線并且長(zhǎng)度不大于20的字符串進(jìn)行駐留，放到內(nèi)存在孝，如果下次再創(chuàng)建一個(gè)一模一樣的值诚啃，就不再開(kāi)辟新的內(nèi)存空間。

詳見(jiàn)：https://pythonav.com/wiki/detail/6/88/