一、概述：

Python的GC模塊主要運(yùn)用了“引用計(jì)數(shù)”（reference counting）來(lái)跟蹤和回收垃圾。在引用計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，還可以通過(guò)“標(biāo)記-清除”（mark and sweep）解決容器對(duì)象可能產(chǎn)生的循環(huán)引用的問(wèn)題。通過(guò)“分代回收”（generation collection）以空間換取時(shí)間來(lái)進(jìn)一步提高垃圾回收的效率。

二、引用計(jì)數(shù)

在Python中，大多數(shù)對(duì)象的生命周期都是通過(guò)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)來(lái)管理的。從廣義上來(lái)講，引用計(jì)數(shù)也是一種垃圾收集機(jī)制，而且也是一種最直觀，最簡(jiǎn)單的垃圾收集技術(shù)。

原理：當(dāng)一個(gè)對(duì)象的引用被創(chuàng)建或者復(fù)制時(shí)，對(duì)象的引用計(jì)數(shù)加1；當(dāng)一個(gè)對(duì)象的引用被銷毀時(shí)，對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減1；當(dāng)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減少為0時(shí)，就意味著對(duì)象已經(jīng)沒(méi)有被任何人使用了，可以將其所占用的內(nèi)存釋放了。
雖然引用計(jì)數(shù)必須在每次分配和釋放內(nèi)存的時(shí)候加入管理引用計(jì)數(shù)的動(dòng)作，然而與其他主流的垃圾收集技術(shù)相比，引用計(jì)數(shù)有一個(gè)最大的有點(diǎn)，即“實(shí)時(shí)性”，任何內(nèi)存，一旦沒(méi)有指向它的引用，就會(huì)立即被回收。而其他的垃圾收集計(jì)數(shù)必須在某種特殊條件下（比如內(nèi)存分配失?。┎拍苓M(jìn)行無(wú)效內(nèi)存的回收。

引用計(jì)數(shù)機(jī)制執(zhí)行效率問(wèn)題：引用計(jì)數(shù)機(jī)制所帶來(lái)的維護(hù)引用計(jì)數(shù)的額外操作與Python運(yùn)行中所進(jìn)行的內(nèi)存分配和釋放，引用賦值的次數(shù)是成正比的。而這點(diǎn)相比其他主流的垃圾回收機(jī)制，比如“標(biāo)記-清除”，“停止-復(fù)制”，是一個(gè)弱點(diǎn)，因?yàn)檫@些技術(shù)所帶來(lái)的額外操作基本上只是與待回收的內(nèi)存數(shù)量有關(guān)。
如果說(shuō)執(zhí)行效率還僅僅是引用計(jì)數(shù)機(jī)制的一個(gè)軟肋的話，那么很不幸，引用計(jì)數(shù)機(jī)制還存在著一個(gè)致命的弱點(diǎn)，正是由于這個(gè)弱點(diǎn)，使得俠義的垃圾收集從來(lái)沒(méi)有將引用計(jì)數(shù)包含在內(nèi)，能引發(fā)出這個(gè)致命的弱點(diǎn)就是循環(huán)引用（也稱交叉引用）。

問(wèn)題說(shuō)明：

循環(huán)引用可以使一組對(duì)象的引用計(jì)數(shù)不為0，然而這些對(duì)象實(shí)際上并沒(méi)有被任何外部對(duì)象所引用，它們之間只是相互引用。這意味著不會(huì)再有人使用這組對(duì)象，應(yīng)該回收這組對(duì)象所占用的內(nèi)存空間，然后由于相互引用的存在，每一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)都不為0，因此這些對(duì)象所占用的內(nèi)存永遠(yuǎn)不會(huì)被釋放。比如：

a = []
b = []
a.append(b)
b.append(a)
print a
[[[…]]]
print b
[[[…]]]

這一點(diǎn)是致命的，這與手動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存管理所產(chǎn)生的內(nèi)存泄露毫無(wú)區(qū)別。
要解決這個(gè)問(wèn)題，Python引入了其他的垃圾收集機(jī)制來(lái)彌補(bǔ)引用計(jì)數(shù)的缺陷：“標(biāo)記-清除”，“分代回收”兩種收集技術(shù)。

三、標(biāo)記-清除

“標(biāo)記-清除”是為了解決循環(huán)引用的問(wèn)題?？梢园渌麑?duì)象引用的容器對(duì)象（比如：list，set，dict，class，instance）都可能產(chǎn)生循環(huán)引用。
我們必須承認(rèn)一個(gè)事實(shí)，如果兩個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)都為1，但是僅僅存在他們之間的循環(huán)引用，那么這兩個(gè)對(duì)象都是需要被回收的，也就是說(shuō)，它們的引用計(jì)數(shù)雖然表現(xiàn)為非0，但實(shí)際上有效的引用計(jì)數(shù)為0。我們必須先將循環(huán)引用摘掉，那么這兩個(gè)對(duì)象的有效計(jì)數(shù)就現(xiàn)身了。假設(shè)兩個(gè)對(duì)象為A、B，我們從A出發(fā)，因?yàn)樗幸粋€(gè)對(duì)B的引用，則將B的引用計(jì)數(shù)減1；然后順著引用達(dá)到B，因?yàn)锽有一個(gè)對(duì)A的引用，同樣將A的引用減1，這樣，就完成了循環(huán)引用對(duì)象間環(huán)摘除。
但是這樣就有一個(gè)問(wèn)題，假設(shè)對(duì)象A有一個(gè)對(duì)象引用C，而C沒(méi)有引用A，如果將C計(jì)數(shù)引用減1，而最后A并沒(méi)有被回收，顯然，我們錯(cuò)誤的將C的引用計(jì)數(shù)減1，這將導(dǎo)致在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)一個(gè)對(duì)C的懸空引用。這就要求我們必須在A沒(méi)有被刪除的情況下復(fù)原C的引用計(jì)數(shù)，如果采用這樣的方案，那么維護(hù)引用計(jì)數(shù)的復(fù)雜度將成倍增加。

原理：“標(biāo)記-清除”采用了更好的做法，我們并不改動(dòng)真實(shí)的引用計(jì)數(shù)，而是將集合中對(duì)象的引用計(jì)數(shù)復(fù)制一份副本，改動(dòng)該對(duì)象引用的副本。對(duì)于副本做任何的改動(dòng)，都不會(huì)影響到對(duì)象生命走起的維護(hù)。
這個(gè)計(jì)數(shù)副本的唯一作用是尋找root object集合（該集合中的對(duì)象是不能被回收的）。當(dāng)成功尋找到root object集合之后，首先將現(xiàn)在的內(nèi)存鏈表一分為二，一條鏈表中維護(hù)root object集合，成為root鏈表，而另外一條鏈表中維護(hù)剩下的對(duì)象，成為unreachable鏈表。之所以要剖成兩個(gè)鏈表，是基于這樣的一種考慮：現(xiàn)在的unreachable可能存在被root鏈表中的對(duì)象，直接或間接引用的對(duì)象，這些對(duì)象是不能被回收的，一旦在標(biāo)記的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這樣的對(duì)象，就將其從unreachable鏈表中移到root鏈表中；當(dāng)完成標(biāo)記后，unreachable鏈表中剩下的所有對(duì)象就是名副其實(shí)的垃圾對(duì)象了，接下來(lái)的垃圾回收只需限制在unreachable鏈表中即可。

四、分代回收

背景：分代的垃圾收集技術(shù)是在上個(gè)世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種垃圾收集機(jī)制，一系列的研究表明：無(wú)論使用何種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，無(wú)論開(kāi)發(fā)的是何種類型，何種規(guī)模的程序，都存在這樣一點(diǎn)相同之處。即：一定比例的內(nèi)存塊的生存周期都比較短，通常是幾百萬(wàn)條機(jī)器指令的時(shí)間，而剩下的內(nèi)存塊，起生存周期比較長(zhǎng)，甚至?xí)某绦蜷_(kāi)始一直持續(xù)到程序結(jié)束。
從前面“標(biāo)記-清除”這樣的垃圾收集機(jī)制來(lái)看，這種垃圾收集機(jī)制所帶來(lái)的額外操作實(shí)際上與系統(tǒng)中總的內(nèi)存塊的數(shù)量是相關(guān)的，當(dāng)需要回收的內(nèi)存塊越多時(shí)，垃圾檢測(cè)帶來(lái)的額外操作就越多，而垃圾回收帶來(lái)的額外操作就越少；反之，當(dāng)需回收的內(nèi)存塊越少時(shí)，垃圾檢測(cè)就將比垃圾回收帶來(lái)更少的額外操作。為了提高垃圾收集的效率，采用“空間換時(shí)間的策略”。

原理：將系統(tǒng)中的所有內(nèi)存塊根據(jù)其存活時(shí)間劃分為不同的集合，每一個(gè)集合就成為一個(gè)“代”，垃圾收集的頻率隨著“代”的存活時(shí)間的增大而減小。也就是說(shuō)，活得越長(zhǎng)的對(duì)象，就越不可能是垃圾，就應(yīng)該減少對(duì)它的垃圾收集頻率。那么如何來(lái)衡量這個(gè)存活時(shí)間：通常是利用幾次垃圾收集動(dòng)作來(lái)衡量，如果一個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)的垃圾收集次數(shù)越多，可以得出：該對(duì)象存活時(shí)間就越長(zhǎng)。

舉例說(shuō)明：

當(dāng)某些內(nèi)存塊M經(jīng)過(guò)了3次垃圾收集的清洗之后還存活時(shí)，我們就將內(nèi)存塊M劃到一個(gè)集合A中去，而新分配的內(nèi)存都劃分到集合B中去。當(dāng)垃圾收集開(kāi)始工作時(shí)，大多數(shù)情況都只對(duì)集合B進(jìn)行垃圾回收，而對(duì)集合A進(jìn)行垃圾回收要隔相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后才進(jìn)行，這就使得垃圾收集機(jī)制需要處理的內(nèi)存少了，效率自然就提高了。在這個(gè)過(guò)程中，集合B中的某些內(nèi)存塊由于存活時(shí)間長(zhǎng)而會(huì)被轉(zhuǎn)移到集合A中，當(dāng)然，集合A中實(shí)際上也存在一些垃圾，這些垃圾的回收會(huì)因?yàn)檫@種分代的機(jī)制而被延遲。
在Python中，總共有3“代”，也就是Python實(shí)際上維護(hù)了3條鏈表。具體可以查看Python源碼詳細(xì)了解。

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