Python对象

Python029

Python对象,第1张

众所周知,Python是一门面向对象的语言,在Python无论是数值、字符串、函数亦或是类型、类,都是对象。

对象是在 堆 上分配的结构,我们定义的所有变量、函数等,都存储于堆内存,而变量名、函数名则是一个存储于 栈 中、指向堆中具体结构的引用。

要想深入学习Python,首先需要知道Python对象的定义。

我们通常说的Python都是指CPython,底层由C语言实现,源码地址: cpython [GitHub]

Python对象的定义位于 Include/object.h ,是一个名为 PyObject 的结构体:

Python中的所有对象都继承自PyObejct,PyObject包含一个用于垃圾回收的双向链表,一个引用计数变量 ob_refcnt 和 一个类型对象指针 ob_type

从PyObejct的注释中,我们可以看到这样一句:每个指向 可变大小Python对象 的指针也可以转换为 PyVarObject* (可变大小的Python对象会在下文中解释)。 PyVarObejct 就是在PyObject的基础上多了一个 ob_size 字段,用于存储元素个数:

在PyObject结构中,还有一个类型对象指针 ob_type ,用于表示Python对象是什么类型,定义Python对象类型的是一个 PyTypeObject 接口体

实际定义是位于 Include/cpython/object.h 的 _typeobject :

在这个类型对象中,不仅包含了对象的类型,还包含了如分配内存大小、对象标准操作等信息,主要分为:

以Python中的 int类型 为例,int类型对象的定义如下:

从PyObject的定义中我们知道,每个对象的 ob_type 都要指向一个具体的类型对象,比如一个数值型对象 100 ,它的ob_type会指向 int类型对象PyLong_Type 。

PyTypeObject结构体第一行是一个PyObject_VAR_HEAD宏,查看宏定义可知PyTypeObject是一个变长对象

也就是说,归根结底 类型对象也是一个对象 ,也有ob_type属性,那 PyLong_Type 的 ob_type 是什么呢?

回到PyLong_Type的定义,第一行 PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0) ,查看对应的宏定义

由以上关系可以知道, PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0) = { { _PyObject_EXTRA_INIT 1, &PyType_Type } 0} ,将其代入 PyObject_VAR_HEAD ,得到一个变长对象:

这样看就很明确了,PyLong_Type的类型就是PyType_Typ,同理可知, Python类型对象的类型就是PyType_Type ,而 PyType_Type对象的类型是它本身

从上述内容中,我们知道了对象和对象类型的定义,那么根据定义,对象可以有以下两种分类

Python对象定义有 PyObject 和 PyVarObject ,因此,根据对象大小是否可变的区别,Python对象可以划分为 可变对象(变长对象) 和 不可变对象(定长对象)

原本的对象a大小并没有改变,只是s引用的对象改变了。这里的对象a、对象b就是定长对象

可以看到,变量l仍然指向对象a,只是对象a的内容发生了改变,数据量变大了。这里的对象a就是变长对象

由于存在以上特性,所以使用这两种对象还会带来一种区别:

声明 s2 = s ,修改s的值: s = 'new string' ,s2的值不会一起改变,因为只是s指向了一个新的对象,s2指向的旧对象的值并没有发生改变

声明 l2 = l ,修改l的值: l.append(6) ,此时l2的值会一起改变,因为l和l2指向的是同一个对象,而该对象的内容被l修改了

此外,对于 字符串 对象,Python还有一套内存复用机制,如果两个字符串变量值相同,那它们将共用同一个对象:

对于 数值型 对象,Python会默认创建0~2 8 以内的整数对象,也就是 0 ~ 256 之间的数值对象是共用的:

按照Python数据类型,对象可分为以下几类:

Python创建对象有两种方式,泛型API和和类型相关的API

这类API通常以 PyObject_xxx 的形式命名,可以应用在任意Python对象上,如:

使用 PyObjecg_New 创建一个数值型对象:

这类API通常只能作用于一种类型的对象上,如:

使用 PyLong_FromLong 创建一个数值型对象:

在我们使用Python声明变量的时候,并不需要为变量指派类型,在给变量赋值的时候,可以赋值任意类型数据,如:

从Python对象的定义我们已经可以知晓造成这个特点的原因了,Python创建对象时,会分配内存进行初始化,然后Python内部通过 PyObject* 变量来维护这个对象,所以在Python内部各函数直接传递的都是一种泛型指针 PyObject* ,这个指针所指向的对象类型是不固定的,只能通过所指对象的 ob_type 属性动态进行判断,而Python正是通过 ob_type 实现了多态机制

Python在管理维护对象时,通过引用计数来判断内存中的对象是否需要被销毁,Python中所有事物都是对象,所有对象都有引用计数 ob_refcnt 。

当一个对象的引用计数减少到0之后,Python将会释放该对象所占用的内存和系统资源。

但这并不意味着最终一定会释放内存空间,因为频繁申请释放内存会大大降低Python的执行效率,因此Python中采用了内存对象池的技术,是的对象释放的空间会还给内存池,而不是直接释放,后续需要申请空间时,优先从内存对象池中获取。

Python采用自动内存管理,即Python会自动进行垃圾回收,不需要像C、C++语言一样需要程序员手动释放内存,手动释放可以做到实时性,但是存在内存泄露、空指针等风险。

Python自动垃圾回收也有自己的优点和缺点:优点:

缺点:

Python的垃圾回收机制采用以引用计数法为主,分代回收为辅的策略。

先聊引用计数法,Python中每个对象都有一个核心的结构体,如下

一个对象被创建时,引用计数值为1,当一个变量引用一个对象时,该对象的引用计数ob_refcnt就加一,当一个变量不再引用一个对象时,该对象的引用计数ob_refcnt就减一,Python判断是否回收一个对象,会将该对象的引用计数值ob_refcnt减一判断结果是否等于0,如果等于0就回收,如果不等于0就不回收,如下:

一个对象在以下三种情况下引用计数会增加:

一个对象在以下三种情况引用计数会减少:

验证案例:

运行结果:

事实上,关于垃圾回收的测试,最好在终端环境下测试,比如整数257,它在PyCharm中用下面的测试代码打印出来的结果是4,而如果在终端环境下打印出来的结果是2。这是因为终端代表的是原始的Python环境,而PyCharm等IDE做了一些特殊处理,在Python原始环境中,整数缓存的范围是在 [-5, 256] 的双闭合区间内,而PyCharm做了特殊处理之后,PyCharm整数缓存的范围变成了 [-5, 无穷大],但我们必须以终端的测试结果为主,因为它代表的是原始的Python环境,并且代码最终也都是要发布到终端运行的。

好,那么回到终端,我们来看两种特殊情况

前面学习过了,整数缓存的范围是在 [-5, 256] 之间,这些整数对象在程序加载完全就已经驻留在内存之中,并且直到程序结束退出才会释放占有的内存,测试案例如下:

如果字符串的内容只由字母、数字、下划线构成,那么它只会创建一个对象驻留在内存中,否则,每创建一次都是一个新的对象。

引用计数法有缺陷,它无法解决循环引用问题,即A对象引用了B对象,B对象又引用了A对象,这种情况下,A、B两个对象都无法通过引用计数法来进行回收,有一种解决方法是程序运行结束退出时进行回收,代码如下:

前面讲过,Python垃圾回收机制的策略是以引用计数法为主,以分代回收为辅。分代回收就是为了解决循环引用问题的。

Python采用分代来管理对象的生命周期:第0代、第1代、第2代,当一个对象被创建时,会被分配到第一代,默认情况下,当第0代的对象达到700个时,就会对处于第0代的对象进行检测和回收,将存在循环引用的对象释放内存,经过垃圾回收后,第0代中存活的对象会被分配为第1代,同样,当第1代的对象个数达到10个时,也会对第1代的对象进行检测和回收,将存在循环引用的对象释放内存,经过垃圾回收后,第1代中存活的对象会被分配为第2代,同样,当第二代的对象个数达到10个时,也会对第2代的对象进行检测和回收,将存在循环引用的对象释放内存。Python就是通过这样一种策略来解决对象之间的循环引用问题的。

测试案例:

运行结果:

如上面的运行结果,当第一代中对象的个数达到699个即将突破临界值700时(在打印699之前就已经回收了,所以看不到698和699)进行了垃圾回收,回收掉了循环引用的对象。

第一代、第二代、第三代分代回收都是有临界值的,这个临界值可以通过调用gc.get_threshold方法查看,如下:

当然,如果对默认临界值不满意,也可以调用gc.set_threshold方法来自定义临界值,如下:

最后,简单列出两个gc的其它方法,了解一下,但禁止在程序代码中使用

以上就是对Python垃圾回收的简单介绍,当然,深入研究肯定不止这些内容,目前,了解到这个程度也足够了。