Python列表創(chuàng)建與銷毀及緩存池機制

更新時間：2022年05月12日 10:21:33 作者：??編程學(xué)習(xí)網(wǎng)????

這篇文章主要介紹了Python列表創(chuàng)建與銷毀及緩存池機制，文章基于python展開對列表創(chuàng)建與銷毀內(nèi)容的展開，具有一定的參考價值，需要的小伙伴可以參考一下

列表的創(chuàng)建

創(chuàng)建列表，Python底層只提供了唯一一個Python/C API，也就是PyList_New。這個函數(shù)接收一個size參數(shù)，允許我們在創(chuàng)建一個PyListObject對象時指定底層的PyObject *數(shù)組的長度。

PyObject *
PyList_New(Py_ssize_t size)
{  
    //聲明一個PyListObject *對象
    PyListObject *op;
#ifdef SHOW_ALLOC_COUNT
    static int initialized = 0;
    if (!initialized) {
        Py_AtExit(show_alloc);
        initialized = 1;
    }
#endif
  
    //如果size小于0，直接拋異常
    if (size < 0) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
    //緩存池是否可用，如果可用
    if (numfree) {
        //將緩存池內(nèi)對象個數(shù)減1
        numfree--;
        //從緩存池中獲取
        op = free_list[numfree];
        //設(shè)置引用計數(shù)
        _Py_NewReference((PyObject *)op);
#ifdef SHOW_ALLOC_COUNT
        count_reuse++;
#endif
    } else {
        //不可用的時候，申請內(nèi)存
        op = PyObject_GC_New(PyListObject, &PyList_Type);
        if (op == NULL)
            return NULL;
#ifdef SHOW_ALLOC_COUNT
        count_alloc++;
#endif
    }
    //如果size等于0，ob_item設(shè)置為NULL
    if (size <= 0)
        op->ob_item = NULL;
    else {
        //否則的話，創(chuàng)建一個指定容量的指針數(shù)組，然后讓ob_item指向它
        //所以是先創(chuàng)建PyListObject對象, 然后創(chuàng)建指針數(shù)組
        //最后通過ob_item建立聯(lián)系
        op->ob_item = (PyObject **) PyMem_Calloc(size, sizeof(PyObject *));
        if (op->ob_item == NULL) {
            Py_DECREF(op);
            return PyErr_NoMemory();
        }
    }
    //設(shè)置ob_size和allocated，然后返回op
    Py_SIZE(op) = size;
    op->allocated = size;
    _PyObject_GC_TRACK(op);
    return (PyObject *) op;
}

我們注意到源碼里面有一個緩存池，是的，Python大部分對象都有自己的緩存池，只不過實現(xiàn)的方式不同。

列表的銷毀

創(chuàng)建PyListObject對象時，會先檢測緩存池free_list里面是否有可用的對象，有的話直接拿來用，否則通過malloc在系統(tǒng)堆上申請。列表的緩存池是使用數(shù)組實現(xiàn)的，里面最多維護80個PyListObject對象。

#ifndef PyList_MAXFREELIST
#define PyList_MAXFREELIST 80
#endif
static PyListObject *free_list[PyList_MAXFREELIST];

根據(jù)之前的經(jīng)驗我們知道，既然創(chuàng)建的時候能從緩存池中獲取，那么在執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)的時候也要把列表放到緩存池里面。

static void
list_dealloc(PyListObject *op)
{
    Py_ssize_t i;
    PyObject_GC_UnTrack(op);
    Py_TRASHCAN_SAFE_BEGIN(op)
    //先釋放底層數(shù)組
    if (op->ob_item != NULL) {
        i = Py_SIZE(op);
        //但是釋放之前，還有一件重要的事情
        //要將底層數(shù)組中每個指針指向的對象的引用計數(shù)都減去1
        //因為它們不再持有對"對象"的引用
        while (--i >= 0) {
            Py_XDECREF(op->ob_item[i]);
        }
        //然后釋放底層數(shù)組所占的內(nèi)存
        PyMem_FREE(op->ob_item);
    }
    //判斷緩沖池里面PyListObject對象的個數(shù)，如果沒滿，就添加到緩存池
    //注意：我們看到執(zhí)行到這一步的時候, 底層數(shù)組已經(jīng)被釋放掉了
    if (numfree < PyList_MAXFREELIST && PyList_CheckExact(op))
    //添加到緩存池的時候，是添加到尾部
    //獲取的時候也是從尾部獲取
        free_list[numfree++] = op;
    else
        //否則的話就釋放掉PyListObject對象所占的內(nèi)存
        Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
    Py_TRASHCAN_SAFE_END(op)
}

我們知道在創(chuàng)建一個新的PyListObject對象時，實際上是分為兩步的，先創(chuàng)建PyListObject對象，然后創(chuàng)建底層數(shù)組，最后讓PyListObject對象中的ob_item成員指向這個底層數(shù)組。

同理，在銷毀一個PyListObject對象時，先銷毀ob_item維護的底層數(shù)組，然后再釋放PyListObject對象自身(如果緩存池已滿)。

現(xiàn)在可以很清晰地明白了，原本空蕩蕩的緩存池其實是被已經(jīng)死去的PyListObject對象填充了。在以后創(chuàng)建新的PyListObject對象時，Python會首先喚醒這些死去的PyListObject對象，給它們一個洗心革面、重新做人的機會。但需要注意的是，這里緩存的僅僅是PyListObject對象，對于底層數(shù)組，其ob_item已經(jīng)不再指向了。

從list_dealloc中我們看到，PyListObject對象在放進緩存池之前，ob_item指向的數(shù)組就已經(jīng)被釋放掉了，同時數(shù)組中指針指向的對象的引用計數(shù)會減1。所以最終數(shù)組中這些指針指向的對象也大難臨頭各自飛了，或生存、或毀滅，總之此時和PyListObject之間已經(jīng)沒有任何聯(lián)系了。

但是為什么要這么做呢？為什么不連底層數(shù)組也一起維護呢？可以想一下，如果繼續(xù)維護的話，數(shù)組中指針指向的對象永遠不會被釋放，那么很可能會產(chǎn)生懸空指針的問題，所以這些指針指向的對象所占的空間必須交還給系統(tǒng)(前提是沒有其它指針指向了)。

但是實際上，是可以將PyListObject對象維護的底層數(shù)組進行保留的，即：只將數(shù)組中指針指向的對象的引用計數(shù)減1，然后將數(shù)組中的指針都設(shè)置為NULL，不再指向之前的對象了，但是并不釋放底層數(shù)組本身所占用的內(nèi)存空間。

因此這樣一來，釋放的內(nèi)存不會交給系統(tǒng)堆，那么再次分配的時候，速度會快很多。但是這樣帶來一個問題，就是這些內(nèi)存沒人用也會一直占著，并且只能供PyListObject對象的ob_item指向的底層數(shù)組使用。因此Python還是為避免消耗過多內(nèi)存，采取將底層數(shù)組所占的內(nèi)存交還給了系統(tǒng)堆這樣的做法，在時間和空間上選擇了空間。

lst1 = [1, 2, 3]
print(id(lst1))  # 1243303086208
# 扔到緩存池中，放在數(shù)組的尾部
del lst1
# 從緩存池中獲取，也會從數(shù)組的尾部開始拿
lst2 = [1, 2, 3]
print(id(lst2))  # 1243303086208
# 因此打印的地址是一樣的