python 垃圾回收笔记

时间：2021-12-20 06:11:40

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python 程序在运行的时候，需要在内存中开辟出一块空间，用于存放运行时产生的临时变量；计算完成后，再将结果输出到永久性存储器中。如果数量过大，
内存空间管理不善，就会出现 OOM(out of memory), 俗称爆内存，程序可能被操作系统终止。

引用计数

Python 中一切皆对象。因此，一切变量，本质上都是对象的一个指针。

import os
import psutil

# 显示当前 python 程序占用的内存大小
def show_memory_info(hint):
    pid = os.getpid()  # 进程ID
    p = psutil.Process(pid)  # 返回进程对象,不传 pid 默认会获取当前的pid
    info = p.memory_full_info()  # pfullmem 对象
    memory = info.uss / 1024. / 1024
    print(f'{hint} memory used: {memory} MB')

def func():
    show_memory_info('initial')
    a = [i for i in range(10000000)]
    show_memory_info('after a created')

func()
show_memory_info('finished')
"""
运行结果:
initial memory used: 8.32421875 MB
after a created memory used: 396.21484375 MB
finished memory used: 9.0078125 MB
"""

示例中调用函数 func(), 在列表 a 被创建之后，内存占用迅速增加到了 396MB, 而在函数调用之后，内存返回正常。

这是因为函数内部声明的列表a是局部变量，在函数返回后，局部变量的引用会注销掉；此时，列表a所指代对象的引用计数为0，python便会执行垃圾
回收，因此之前占用的大量内存被释放了。

import os
import psutil

def show_memory_info(hint):
    pid = os.getpid()
    p = psutil.Process()
    info = p.memory_full_info()
    memory = info.uss / 1024 / 1024
    print(f'{hint} memory used: {memory} MB')

def func():
    show_memory_info('initial')
    global a
    a = [i for i in range(10000000)]
    show_memory_info('after a created')

func()
show_memory_info('finished')
"""
运行结果：
initial memory used: 8.4765625 MB
after a created memory used: 395.86328125 MB
finished memory used: 395.86328125 MB
"""

global a 将 a 声明为全局变量。那么，即使函数返回后，列表的引用依然存在，于是对象就不会被垃圾回收掉，依然占用大量内存。

同样，如果我们把生成的列表返回，然后在主程序中接收，那么引用依然存在，垃圾回收就不会触发，大量内存仍然被占用着：

def func():
    show_memory_info('initial')
    a = [i for i in derange(10000000)]
    show_memory_info('after a created')
    return a

a = func()
show_memory_info('finished')

这是最常见的几种情况。

python内部的引用计数机制

import sys

a = []
# 两次引用，一次来自 a，一次来自 getrefcount
print(sys.getrefcount(a))

def func(a):
    # 四次引用，a，python 的函数调用栈，函数参数，和 getrefcount
    print(sys.getrefcount(a))

func(a)
# 两次引用，一次来自 a，一次来自 getrefcount，函数 func 调用已经不存在
print(sys.getrefcount(a))

sys.getrefcount() 这个函数，可以查看一个变量的引用计数。它本身也会引入一次计数。

在函数调用时，会产生额外的两次引用，一个来自函数栈，一个来自函数参数。

import sys

a = []

print(sys.getrefcount(a))  # 两次

b = a

print(sys.getrefcount(a))  # 三次

c = b
d = b
e = c
f = e
g = d

print(sys.getrefcount(a))  # 八次

理解了引用这个概念后，引用释放是一种非常自然和清晰的思想。相比C语言里，你需要使用free去手动释放内存，python 自带垃圾回收。
如果想手动回收可以先 del a 来删除一个对象；然后强制调用 gc.collect()，即可手动启动垃圾回收。

import gc
import os
import psutil

def show_memory_info(hint):
    pid = os.getpid()
    p = psutil.Process(pid)
    info = p.memory_full_info()
    memory = info.uss / 1024 / 1024
    print(f'{hint} memory used: {memory} MB')

show_memory_info('initial')

a = [i for i in range(10000000)]

show_memory_info('after a created')

del a
gc.collect()

show_memory_info('finish')

引用计数为0是垃圾回收的充要条件么？

循环引用

如果有两个对象，它们互相引用，并且不再被别的对象引用，那么它们应该被垃圾回收么？（python自带的不会，手动却可以）

import os
import psutil

def show_memory_info(hint):
    pid = os.getpid()
    p = psutil.Process(pid)
    info = p.memory_full_info()
    memory = info.uss / 1024 / 1024
    print(f'{hint} memory used: {memory} MB')

def func():
    show_memory_info('initial')
    a = [i for i in range(10000000)]
    b = [i for i in range(10000000)]
    show_memory_info('after a, b created')
    a.append(b)
    b.append(a)

func()
show_memory_info('finished')
"""
运行结果：
initial memory used: 8.48046875 MB
after a, b created memory used: 783.83203125 MB
finished memory used: 783.83203125 MB
"""

这里 a 和 b 互相引用，并且，作为局部变量，在函数 func 调用结束后，a 和 b 这两个指针从程序意义上已经不存在了。但是，很明显，依然有内存
占用。因为互相引用，导致它们的引用数都不为0。

如果这段代码运行在生产环境中，哪怕 a 和 b 一开始占用的空间不是很大，但经过长时间的运行后，所占内存会越来越大，最终会撑爆服务器。

互相引用还是很容易发现的，更隐蔽的情况是出现一个引用环，在工程代码比较复杂的情况下，引用环很难被发现。

解决这类问题，我们可以通过手动垃圾回收，即显式的调用 gc.collect(), 来启动垃圾回收。

import gc
import os
import psutil

def show_memory_info(hint):
    pid = os.getpid()
    p = psutil.Process(pid)
    info = p.memory_full_info()
    memory = info.uss / 1024 / 1024
    print(f'{hint} memory used: {memory} MB')

def func():
    show_memory_info('initial')
    a = [i for i in range(10000000)]
    b = [i for i in range(10000000)]
    show_memory_info('after a, b created')
    a.append(b)
    b.append(a)

func()
gc.collect()  # 手动垃圾回收
show_memory_info('finished')
"""
运行结果：
initial memory used: 8.453125 MB
after a, b created memory used: 783.90625 MB
finished memory used: 9.37109375 MB
"""

虽然 a，b 的引用计数不为0，但是我们也可以通过 gc.collect() 进行垃圾回收

python 使用标记清除(mark-sweep)算法和分代收集(generational), 来启用针对循环引用的自动垃圾回收。

先来看看标记清除算法。我们先用图论来理解不可达的概念。对于一个有向图，如果从一个节点出发进行遍历，并标记其经过的所有节点；
那么，在遍历结束后，所有没有被标记的节点，我们称之为不可达节点。显然，这些节点的存在没有任何意义，我们就需要对它们进行垃圾回收。

当然，每次都遍历全图，对于python而言是一种巨大的性能浪费。所以在python垃圾回收实现中，mark-sweep 使用双向链表维护了一个数据结构，
并且只考虑容器类的对象（只有容器类对象才有可能产生循环引用）。

而分代收集算法，则是另一个优化手段。

python将所有对象分为三代。刚刚创立的对象是第0代；经过一次垃圾回收后，依然存在的对象，便会依次从上一代挪到下一代。而每一代启动自动垃圾
回收的阈值，则是可以单独指定的。当垃圾回收器中新增对象（新建的对象）减去删除对象（手动调用del删除的对象、函数运行结束释放的对象等）达到相应的阈值时，就会对这一代对象启动垃圾回收。

事实上，分代收集基于的思想是，新生的对象更有可能被垃圾回收，而存活更久的对象也有更高的概率继续存活。因此，通过这种做法，可以节约不少
计算量，从而提高python的性能。

引用计数是其中最简单的实现，引用计数并非充要条件。还有其他的可能性，比如循环引用就是其中之一。

调试内存泄漏

虽然有了自动回收机制，还是会出现内存泄露的情况。

可以通过 objgraph（一个可视化引用关系的包）。在这个包中，主要关注两个函数，第一个是 show_refs(), 它可以生成清晰的引用关系图。
需要手动下载安装graphviz，然后将其 bin 目录放入到环境变量中，才能出来图片。在 jupyter notebook 中可以直接显示图片。但是在pycharm中
会显示图片地址，需要自己去手动打开。

通过下面这段代码和生成的引用调用图，你能非常直观的发现，有两个list互相引用，说明这里极有可能引起内存泄漏。这样一来，再去代码层排查就容易多了。

import objgraph
import os
os.environ["PATH"] += os.pathsep + r'D:\GoogleDownload\graphviz-2.38\release\bin'
a = [1, 2, 3]
b = [4, 5, 6]
a.append(b)
b.append(a)
objgraph.show_refs([a])

python 垃圾回收笔记

而另一个非常有用的函数是 show_backrefs()

import objgraph
import os
os.environ["PATH"] += os.pathsep + r'D:\GoogleDownload\graphviz-2.38\release\bin'
a = [1, 2, 3]
b = [4, 5, 6]
a.append(b)
b.append(a)
objgraph.show_backrefs([a])

python 垃圾回收笔记

这个代码显示的图片比之前的复杂的多。show_backrefs() 有很多有用的参数，比如层数限制（max_depth）、宽度限制（too_many）、输出格式控制（filename output）、
节点过滤（filter, extra_ignore）等。

总结

  1. 垃圾回收是 python 自带的机制，用于自动释放不会再用到的内存空间;
  2. 引用计数是其中最简单的实现，这只是充分非必要条件，因为循环引用需要通过不可达判定，来确定是否可以回收；
  3. Python 的自动回收算法包括标记清除和分代收集，主要针对的是循环引用的垃圾收集；
  4. 调试内存泄漏的工具：objgraph；
  5. 这只是皮毛。
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