    _____   ______   ______       ________

   [ 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語言庫函數提供的接口

1. PyMem_*家族，是對 C中的 malloc、realloc和free 簡單的封裝，提供底層的控制接口。

2. PyObject_* 家族，高級的內存控制接口。
3. 對象類型相關的管理接口

PyMem_*

PyMem_家族：低級的內存分配接口(low-level memory allocation interfaces)

Python 對C中的 malloc、realloc和free 提供了簡單的封裝：

201541692301579.jpg (301×158)

為什么要這么多次一舉：

不同的C實現對于malloc(0)產生的結果有會所不同，而PyMem_MALLOC(0)會轉成malloc(1).
不用的C實現的malloc與free混用會有潛在的問題。python提供封裝可以避免這個問題。
Python提供了宏和函數，但是宏無法避免這個問題，故編寫擴展是應避免使用宏

源碼：

  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);
}
...

除了對C的簡單封裝外，Python還提供了4個宏

PyMem_New 和 PyMem_NEW

PyMem_Resize和 PyMem_RESIZE

它們可以感知類型的大小

#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

以下涉及的一些函數仍舊是函數和宏同時存在，下劃線后全是大寫字符的是宏，后面不再特別說明。
PyObject_*

PyObject_*家族，是高級的內存控制接口(high-level object memory interfaces)。

注意

不要和PyMem_*家族混用！！
除非有特殊的內粗管理要求，否則應該堅持使用PyObject_*

源碼

  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);
}

它們執(zhí)行兩項操作：

分配內存：PyObject_MALLOC
部分初始化對象：PyObject_INIT和PyObject_INIT_VAR

初始化沒什么好看到，但是這個MALLOC就有點復雜無比了...
PyObject_{Malloc、Free}

這個和PyMem_*中的3個可是大不一樣了，復雜的厲害！

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

Python程序運行時頻繁地需要創(chuàng)建和銷毀小對象，為了避免大量的malloc和free操作，Python使用了內存池的技術。

一系列的 arena(每個管理256KB) 構成一個內存區(qū)域的鏈表
每個 arena 有很多個 pool(每個4KB) 構成
每次內存的申請釋放將在一個 pool 內進行

單次申請內存塊

當申請大小在 1~256 字節(jié)之間的內存時，使用內存池(申請0或257字節(jié)以上時，將退而使用我們前面提到的PyMem_Malloc)。

每次申請時，實際分配的空間將按照某個字節(jié)數對齊,下表中為8字節(jié)（比如PyObject_Malloc(20)字節(jié)將分配24字節(jié)）。

復制代碼代碼如下:

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.

這些參數由一些宏進行控制：

#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

每次申請的內存塊都是需要在 pool 中進行分配，一個pool的大小是 4k。由下列宏進行控制：

#define SYSTEM_PAGE_SIZE (4 * 1024)
#define POOL_SIZE SYSTEM_PAGE_SIZE /* must be 2^N */

每個pool的頭部的定義如下：

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，其中有個成員 szidx，對應前面列表中最后一列的 Size class idx。這也說明一個問題：每個 pool 只能分配固定大小的內存塊(比如，只分配16字節(jié)的塊，或者只分配24字節(jié)的塊...)。

要能分配前面列表中各種大小的內存塊，必須有多個 pool。同一大小的pool分配完畢，也需要新的pool。多個pool依次構成一個鏈表
arena

多個pool對象使用被稱為 arena 的東西進行管理。

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控制的內存的大小由下列宏控制：

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

一系列的 arena 構成一個鏈表。
引用計數與垃圾收集

Python中多數對象的生命周期是通過引用計數來控制的，從而實現了內存的動態(tài)管理。

但是引用計數有一個致命的問題：循環(huán)引用！

為了打破循環(huán)引用，Python引入了垃圾收集技術。

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