Python垃圾回收机制

1. 垃圾回收机制

1.1 目的

Python 垃圾回收机制（Garbage Collection）主要使用引用计数（reference counting）来跟踪和回收垃圾。在引用计数的基础上，使用“标记-清除”（mark and sweep）解决容器对象可能产生的循环引用问题；使用“分代回收”（generation collection）以空间换时间的方法提高垃圾回收效率。

2. 引用计数

Python垃圾回收主要以引用计数为主，分代回收为辅。引用计数法的原理是每个对象维护一个引用计数字段，用来记录当前对象被引用的次数，也就是来追踪到底有多少引用指向了这个对象，当发生以

下四种情况的时候，该对象的引用计数器+1：

1. 对象被创建 （例如：a = 1）
2. 对象被引用（例如：b = a）
3. 对象被作为参数，传到函数中（例如：function(a)）
4. 对象作为一个元素，存储到容器中（例如：List = [0,1,2]）

当发生以下四种情况时，该对象的引用计数器-1：

1. 当该对象的别名被显式销毁时 （例如：del a）
2. 当该对象的引别名被赋予新的对象 （a=26）
3. 一个对象离开它的作用域，例如 func函数执行完毕时，函数里面的局部变量的引用计数器就会减一（但是全局变量不会）
4. 将该元素从容器中删除时，或者容器被销毁时。

当指向该对象的内存的引用计数器为0的时候，该内存将会被Python虚拟机销毁。

2.1 引用计数的优缺点

引用计数法有很明显的优点：

1. 高效
2. 实时性：一旦没有引用，内存就直接释放了
3. 对象有确定的生命周期
4. 易于实现

原始的引用计数法也有明显的缺点：

1. 维护引用计数消耗资源，维护引用计数的次数和引用赋值成正比，而不像mark and sweep等基本与回收的内存数量有关；
2. 无法解决循环引用的问题。A和B相互引用而再没有外部引用A与B中的任何一个，它们的引用计数都为1，但显然应该被回收。

a = [1]
b = [2]
a.append(b)
b.append(a)

print(a)
print(b)

"""
运行结果：
[1, [2, [...]]]
[2, [1, [...]]]
"""

为了解决这两个致命弱点，Python又引入了以下两种GC机制。

3. 标记清除

标记清除Mark-Sweep是针对循环引用问题的回收机制，作用的对象是容器类型的对象(比如：list、set、dict等)。

它分为两个阶段：第一阶段是标记阶段，GC会把所有的『活动对象』打上标记，第二阶段是把那些没有标记的对象『非活动对象』进行回收。

标记清除算法作为Python的辅助垃圾收集技术主要处理的是一些容器对象，比如list、dict、tuple，instance等，因为对于字符串、数值对象是不可能造成循环引用问题。Python使用一个双向链表将这些容器对象组织起来。

标记-清除机制，顾名思义，首先标记对象（垃圾检测），然后清除垃圾（垃圾回收）。如图：

首先初始所有对象标记为白色，并确定根节点对象（这些对象是不会被删除），标记它们为黑色（表示对象有效）。将有效对象引用的对象标记为灰色（表示对象可达，但它们所引用的对象还没检查），检查完灰色对象引用的对象后，将灰色标记为黑色。重复直到不存在灰色节点为止。最后白色结点都是需要清除的对象。

标记清除的缺点：清除非活动的对象前它必须顺序扫描整个堆内存，哪怕只剩下小部分活动对象也要扫描所有对象。

4. 分代回收

分代回收是建立在标记清除基础上的一种辅助回收容器对象的GC机制。Python将内存根据对象的存活时间划分为不同的集合，每个集合称为一个代。Python将内存分为了3“代”，分别为年轻代（第0代）、中年代（第1代）、老年代（第2代），垃圾收集频率随对象的存活时间的增大而减小。

新创建的对象都会分配在年轻代，年轻代链表的总数达到上限时，Python垃圾收集机制就会被触发，把那些可以被回收的对象回收掉，而那些不会回收的对象就会被移到中年代去，依此类推，老年代中的对象是存活时间最久的对象，甚至是存活于整个系统的生命周期内。

同时，分代回收是建立在标记清除技术基础之上。分代回收同样作为Python的辅助垃圾收集技术处理那些容器对象