从Python的源码浅要剖析Python的内存管理

Python 的内存管理架构（Objects/obmalloc.c）：

复制代码代码如下:

_____ ______ ______ ________

[ int ] [ dict ] [ list ] ... [ string ] Python core |

+3 | <----- Object-specific memory -----> | <-- Non-object memory --> |

_______________________________ | |

[ Python's object allocator ] | |

+2 | ####### Object memory ####### | <------ Internal buffers ------> |

______________________________________________________________ |

[ Python's raw memory allocator (PyMem_ API) ] |

+1 | <----- Python memory (under PyMem manager's control) ------> | |

__________________________________________________________________

[ Underlying general-purpose allocator (ex: C library malloc) ]

0 | <------ Virtual memory allocated for the python process -------> |

0. C语言库函数提供的接口

1. PyMem_*家族，是对 C中的 malloc、realloc和free 简单的封装，提供底层的控制接口。

2. PyObject_* 家族，高级的内存控制接口。

3. 对象类型相关的管理接口

PyMem_*

PyMem_家族：低级的内存分配接口(low-level memory allocation interfaces)

Python 对C中的 malloc、realloc和free 提供了简单的封装：

从Python的源码浅要剖析Python的内存管理1

为什么要这么多次一举：

不同的C实现对于malloc(0)产生的结果有会所不同，而PyMem_MALLOC(0)会转成malloc(1). 不用的C实现的malloc与free混用会有潜在的问题。python提供封装可以避免这个问题。 Python提供了宏和函数，但是宏无法避免这个问题，故编写扩展是应避免使用宏

源码：

Include/pymem.h #define PyMem_MALLOC(n) ((size_t)(n) > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX ? NULL : malloc((n) ? (n) : 1)) #define PyMem_REALLOC(p, n) ((size_t)(n) > (size_t)PY_SSIZE_T_MAX ? NULL : realloc((p), (n) ? (n) : 1)) #define PyMem_FREE free Objects/object.c /* Python's malloc wrappers (see pymem.h) */ void * PyMem_Malloc(size_t nbytes) { return PyMem_MALLOC(nbytes); } ... 除了对C的简单封装外，Python还提供了4个宏

PyMem_New 和 PyMem_NEW

PyMem_Resize和 PyMem_RESIZE

它们可以感知类型的大小

#define PyMem_New(type, n) ( ((size_t)(n) > PY_SSIZE_T_MAX / sizeof(type)) ? NULL : ( (type *) PyMem_Malloc((n) * sizeof(type)) ) ) #define PyMem_Resize(p, type, n) ( (p) = ((size_t)(n) > PY_SSIZE_T_MAX / sizeof(type)) ? NULL : (type *) PyMem_Realloc((p), (n) * sizeof(type)) ) #define PyMem_Del PyMem_Free #define PyMem_DEL PyMem_FREE 以下涉及的一些函数仍旧是函数和宏同时存在，下划线后全是大写字符的是宏，后面不再特别说明。

PyObject_*

PyObject_*家族，是高级的内存控制接口(high-level object memory interfaces)。

注意

不要和PyMem_*家族混用！！除非有特殊的内粗管理要求，否则应该坚持使用PyObject_*

源码

Include/objimpl.h #define PyObject_New(type, typeobj) ( (type *) _PyObject_New(typeobj) ) #define PyObject_NewVar(type, typeobj, n) ( (type *) _PyObject_NewVar((typeobj), (n)) ) Objects/object.c PyObject * _PyObject_New(PyTypeObject *tp) { PyObject *op; op = (PyObject *) PyObject_MALLOC(_PyObject_SIZE(tp)); if (op == NULL) return PyErr_NoMemory(); return PyObject_INIT(op, tp); } PyVarObject * _PyObject_NewVar(PyTypeObject *tp, Py_ssize_t nitems) { PyVarObject *op; const size_t size = _PyObject_VAR_SIZE(tp, nitems); op = (PyVarObject *) PyObject_MALLOC(size); if (op == NULL) return (PyVarObject *)PyErr_NoMemory(); return PyObject_INIT_VAR(op, tp, nitems); }

它们执行两项操作：

分配内存：PyObject_MALLOC 部分初始化对象：PyObject_INIT和PyObject_INIT_VAR

初始化没什么好看到，但是这个MALLOC就有点复杂无比了...

PyObject_{Malloc、Free}

这个和PyMem_*中的3个可是大不一样了，复杂的厉害！

void * PyObject_Malloc(size_t nbytes) void * PyObject_Realloc(void *p, size_t nbytes) void PyObject_Free(void *p)

Python程序运行时频繁地需要创建和销毁小对象，为了避免大量的malloc和free操作，Python使用了内存池的技术。

一系列的 arena(每个管理256KB) 构成一个内存区域的链表每个 arena 有很多个 pool(每个4KB) 构成每次内存的申请释放将在一个 pool 内进行

单次申请内存块

当申请大小在 1~256 字节之间的内存时，使用内存池(申请0或257字节以上时，将退而使用我们前面提到的PyMem_Malloc)。

每次申请时，实际分配的空间将按照某个字节数对齐,下表中为8字节（比如PyObject_Malloc(20)字节将分配24字节）。

复制代码代码如下:

Request in bytes Size of allocated block Size class idx

----------------------------------------------------------------

1-8 8 0

9-16 16 1

17-24 24 2

25-32 32 3

33-40 40 4

... ... ...

241-248 248 30

249-256 256 31

0, 257 and up: routed to the underlying allocator.

这些参数由一些宏进行控制：

#define ALIGNMENT 8 /* must be 2^N */ /* Return the number of bytes in size class I, as a uint. */ #define INDEX2SIZE(I) (((uint)(I) + 1) << ALIGNMENT_SHIFT) #define SMALL_REQUEST_THRESHOLD 256

pool

每次申请的内存块都是需要在 pool 中进行分配，一个pool的大小是 4k。由下列宏进行控制：

#define SYSTEM_PAGE_SIZE (4 * 1024)

#define POOL_SIZE SYSTEM_PAGE_SIZE /* must be 2^N */

每个pool的头部的定义如下：

struct pool_header { union { block *_padding; uint count; } ref; /* number of allocated blocks */ block *freeblock; /* pool's free list head */ struct pool_header *nextpool; /* next pool of this size class */ struct pool_header *prevpool; /* previous pool "" */ uint arenaindex; /* index into arenas of base adr */ uint szidx; /* block size class index */ uint nextoffset; /* bytes to virgin block */ uint maxnextoffset; /* largest valid nextoffset */ };

注意，其中有个成员 szidx，对应前面列表中最后一列的 Size class idx。这也说明一个问题：每个 pool 只能分配固定大小的内存块(比如，只分配16字节的块，或者只分配24字节的块...)。

要能分配前面列表中各种大小的内存块，必须有多个 pool。同一大小的pool分配完毕，也需要新的pool。多个pool依次构成一个链表

arena

多个pool对象使用被称为 arena 的东西进行管理。

struct arena_object { uptr address; block* pool_address; uint nfreepools; uint ntotalpools; struct pool_header* freepools; struct arena_object* nextarena; struct arena_object* prevarena; };

arean控制的内存的大小由下列宏控制：

#define ARENA_SIZE (256 << 10) /* 256KB */

一系列的 arena 构成一个链表。

引用计数与垃圾收集

Python中多数对象的生命周期是通过引用计数来控制的，从而实现了内存的动态管理。

但是引用计数有一个致命的问题：循环引用！

为了打破循环引用，Python引入了垃圾收集技术。