内存管理

内存管理

概述

在 Python 中，内存管理涉及到一个包含所有 Python 对象和数据结构的私有堆（heap）。这个私有堆的管理由内部的 Python 内存管理器（Python memory manager） 保证。Python 内存管理器有不同的组件来处理各种动态存储管理方面的问题，如共享、分割、预分配或缓存。

在最底层，一个原始内存分配器通过与操作系统的内存管理器交互，确保私有堆中有足够的空间来存储所有与 Python 相关的数据。在原始内存分配器的基础上，几个对象特定的分配器在同一堆上运行，并根据每种对象类型的特点实现不同的内存管理策略。例如，整数对象在堆内的管理方式不同于字符串、元组或字典，因为整数需要不同的存储需求和速度与空间的权衡。因此，Python 内存管理器将一些工作分配给对象特定分配器，但确保后者在私有堆的范围内运行。

Python 堆内存的管理是由解释器来执行，用户对它没有控制权，即使他们经常操作指向堆内内存块的对象指针，理解这一点十分重要。Python 对象和其他内部缓冲区的堆空间分配是由 Python 内存管理器按需通过本文档中列出的 Python/C API 函数进行的。

为了避免内存破坏，扩展的作者永远不应该试图用 C 库函数导出的函数来对 Python 对象进行操作，这些函数包括： malloc(), calloc(), realloc() 和 free()。这将导致 C 分配器和 Python 内存管理器之间的混用，引发严重后果，这是由于它们实现了不同的算法，并在不同的堆上操作。但是，我们可以安全地使用 C 库分配器为单独的目的分配和释放内存块，如下例所示：

PyObject *res;
char *buf = (char *) malloc(BUFSIZ); /* for I/O */
if (buf == NULL)
    return PyErr_NoMemory();
...Do some I/O operation involving buf...
res = PyBytes_FromString(buf);
free(buf); /* malloc'ed */
return res;

在这个例子中，I/O 缓冲区的内存请求是由 C 库分配器处理的。Python 内存管理器只参与了分配作为结果返回的字节对象。

然而，在大多数情况下，建议专门从 Python 堆中分配内存，因为后者由 Python 内存管理器控制。例如，当解释器扩展了用 C 写的新对象类型时，就必须这样做。使用 Python 堆的另一个原因是希望*通知* Python 内存管理器关于扩展模块的内存需求。即使所请求的内存全部只用于内部的、高度特定的目的，将所有的内存请求交给 Python 内存管理器能让解释器对其内存占用的整体情况有更准确的了解。因此，在某些情况下，Python 内存管理器可能会触发或不触发适当的操作，如垃圾回收、内存压缩或其他预防性操作。请注意，通过使用前面例子中所示的 C 库分配器，为 I/O 缓冲区分配的内存会完全不受 Python 内存管理器管理。

参见

环境变量 PYTHONMALLOC 可被用来配置 Python 所使用的内存分配器。

环境变量 PYTHONMALLOCSTATS 可以用来在每次创建和关闭新的 pymalloc 对象区域时打印 pymalloc 内存分配器的统计数据。

原始内存接口

以下函数集封装了系统分配器。这些函数是线程安全的，不需要持有全局解释器锁。

default raw memory allocator 使用这些函数：malloc()、 calloc()、 realloc() 和 free()；申请零字节时则调用 malloc(1) （或 calloc(1, 1)）

3.4 新版功能.

void* PyMem_RawMalloc(size_t n)

分配 n 个字节并返回一个指向分配的内存的 void* 类型指针，如果请求失败则返回 NULL。

请求零字节可能返回一个独特的非 NULL 指针，就像调用了 PyMem_RawMalloc(1) 一样。但是内存不会以任何方式被初始化。

void* PyMem_RawCalloc(size_t nelem, size_t elsize)

分配 nelem 个元素，每个元素的大小为 elsize 字节，并返回指向分配的内存的 void* 类型指针，如果请求失败则返回 NULL。内存会被初始化为零。

请求零字节可能返回一个独特的非 NULL 指针，就像调用了 PyMem_RawCalloc(1, 1) 一样。

3.5 新版功能.

void* PyMem_RawRealloc(void \p, size_t n*)

将 p 指向的内存块大小调整为 n 字节。以新旧内存块大小中的最小值为准，其中内容保持不变，

如果 p 是 NULL ，则相当于调用 PyMem_RawMalloc(n) ；如果 n 等于 0，则内存块大小会被调整，但不会被释放，返回非 NULL 指针。

除非 p 是 NULL ，否则它必须是之前调用 PyMem_RawMalloc() 、 PyMem_RawRealloc() 或 PyMem_RawCalloc() 所返回的。

如果请求失败，PyMem_RawRealloc() 返回 NULL ， p 仍然是指向先前内存区域的有效指针。

void PyMem_RawFree(void \p*)

释放 p 指向的内存块。 p 必须是之前调用 PyMem_RawMalloc() 、 PyMem_RawRealloc() 或 PyMem_RawCalloc() 所返回的指针。否则，或在 PyMem_RawFree(p) 之前已经调用过的情况下，未定义的行为会发生。

如果 p 是 NULL, 那么什么操作也不会进行。

内存接口

以下函数集，仿照 ANSI C 标准，并指定了请求零字节时的行为，可用于从Python堆分配和释放内存。

默认内存分配器使用了 pymalloc 内存分配器.

警告

在使用这些函数时，必须持有全局解释器锁（GIL）。

在 3.6 版更改: 现在默认的分配器是 pymalloc 而非系统的 malloc() 。

void* PyMem_Malloc(size_t n)

分配 n 个字节并返回一个指向分配的内存的 void* 类型指针，如果请求失败则返回 NULL。

请求零字节可能返回一个独特的非 NULL 指针，就像调用了 PyMem_Malloc(1) 一样。但是内存不会以任何方式被初始化。

void* PyMem_Calloc(size_t nelem, size_t elsize)

分配 nelem 个元素，每个元素的大小为 elsize 字节，并返回指向分配的内存的 void* 类型指针，如果请求失败则返回 NULL。内存会被初始化为零。

请求零字节可能返回一个独特的非 NULL 指针，就像调用了 PyMem_Calloc(1, 1) 一样。

3.5 新版功能.

void* PyMem_Realloc(void \p, size_t n*)

将 p 指向的内存块大小调整为 n 字节。以新旧内存块大小中的最小值为准，其中内容保持不变，

如果 p 是 NULL ，则相当于调用 PyMem_Malloc(n) ；如果 n 等于 0，则内存块大小会被调整，但不会被释放，返回非 NULL 指针。

除非 p 是 NULL ，否则它必须是之前调用 PyMem_Malloc() 、 PyMem_Realloc() 或 PyMem_Calloc() 所返回的。

如果请求失败，PyMem_Realloc() 返回 NULL ， p 仍然是指向先前内存区域的有效指针。

void PyMem_Free(void \p*)

释放 p 指向的内存块。 p 必须是之前调用 PyMem_Malloc() 、 PyMem_Realloc() 或 PyMem_Calloc() 所返回的指针。否则，或在 PyMem_Free(p) 之前已经调用过的情况下，未定义的行为会发生。

如果 p 是 NULL, 那么什么操作也不会进行。

以下面向类型的宏为方便而提供。注意 TYPE 可以指任何 C 类型。

TYPE* PyMem_New(TYPE, size_t n)

与 PyMem_Malloc() 相同，但会分配 (n * sizeof(TYPE)) 字节的内存。返回一个转换为 TYPE* 的指针。内存将不会以任何方式被初始化。

TYPE* PyMem_Resize(void \p, TYPE, size_t n*)

与 PyMem_Realloc() 相同，但内存块的大小被调整为 (n * sizeof(TYPE)) 字节。返回一个转换为 TYPE* 类型的指针。返回时，p 将为指向新内存区域的指针，如果失败则返回 NULL。

这是一个 C 预处理宏， p 总是被重新赋值。请保存 p 的原始值，以避免在处理错误时丢失内存。

void PyMem_Del(void \p*)

与 PyMem_Free() 相同

此外，我们还提供了以下宏集用于直接调用 Python 内存分配器，而不涉及上面列出的 C API 函数。但是请注意，使用它们并不能保证跨 Python 版本的二进制兼容性，因此在扩展模块被弃用。

PyMem_MALLOC(size)
PyMem_NEW(type, size)
PyMem_REALLOC(ptr, size)
PyMem_RESIZE(ptr, type, size)
PyMem_FREE(ptr)
PyMem_DEL(ptr)

对象分配器

以下函数集，仿照 ANSI C 标准，并指定了请求零字节时的行为，可用于从Python堆分配和释放内存。

默认对象分配器使用 pymalloc 内存分配器.

警告

在使用这些函数时，必须持有全局解释器锁（GIL）。

void* PyObject_Malloc(size_t n)

分配 n 个字节并返回一个指向分配的内存的 void* 类型指针，如果请求失败则返回 NULL。

请求零字节可能返回一个独特的非 NULL 指针，就像调用了 PyObject_Malloc(1) 一样。但是内存不会以任何方式被初始化。

void* PyObject_Calloc(size_t nelem, size_t elsize)

分配 nelem 个元素，每个元素的大小为 elsize 字节，并返回指向分配的内存的 void* 类型指针，如果请求失败则返回 NULL。内存会被初始化为零。

请求零字节可能返回一个独特的非 NULL 指针，就像调用了 PyObject_Calloc(1, 1) 一样。

3.5 新版功能.

void* PyObject_Realloc(void \p, size_t n*)

将 p 指向的内存块大小调整为 n 字节。以新旧内存块大小中的最小值为准，其中内容保持不变，

如果*p*是``NULL``，则相当于调用 PyObject_Malloc(n) ；如果 n 等于 0，则内存块大小会被调整，但不会被释放，返回非 NULL 指针。

除非 p 是 NULL ，否则它必须是之前调用 PyObject_Malloc() 、 PyObject_Realloc() 或 PyObject_Calloc() 所返回的。

如果请求失败，PyObject_Realloc() 返回 NULL ， p 仍然是指向先前内存区域的有效指针。

void PyObject_Free(void \p*)

释放 p 指向的内存块。 p 必须是之前调用 PyObject_Malloc() 、 PyObject_Realloc() 或 PyObject_Calloc() 所返回的指针。否则，或在 PyObject_Free(p) 之前已经调用过的情况下，未定义行为会发生。

如果 p 是 NULL, 那么什么操作也不会进行。

默认内存分配器

默认内存分配器：

配置	名称	PyMem_RawMalloc	PyMem_Malloc	PyObject_Malloc
发布版本	`“pymalloc”`	`malloc`	`pymalloc`	`pymalloc`
调试构建	`“pymalloc_debug”`	`malloc` + debug	`pymalloc` + debug	`pymalloc` + debug
没有 pymalloc 的发布版本	`“malloc”`	`malloc`	`malloc`	`malloc`
没有 pymalloc 的调试构建	`“malloc_debug”`	`malloc` + debug	`malloc` + debug	`malloc` + debug

说明：

名称: 环境变量 PYTHONMALLOC 的值
malloc: 来自 C 标准库的系统分配, C 函数 malloc(), calloc(), realloc() and free()
pymalloc: pymalloc 内存分配器
“+ debug”: 带有 PyMem_SetupDebugHooks() 安装的调试钩子

自定义内存分配器

3.4 新版功能.

PyMemAllocatorEx

用于描述内存块分配器的结构体。包含四个字段：

域	含义
`void ctx`	作为第一个参数传入的用户上下文
`void malloc(void ctx, size_t size)`	分配一个内存块
`void calloc(void ctx, size_t nelem, size_t elsize)`	分配一个初始化为 0 的内存块
`void realloc(void ctx, void ptr, size_t new_size)`	分配一个内存块或调整其大小
`void free(void ctx, void ptr)`	释放一个内存块

在 3.5 版更改: The PyMemAllocator structure was renamed to PyMemAllocatorEx and a new calloc field was added.

PyMemAllocatorDomain

用来识别分配器域的枚举类。域有：

PYMEM_DOMAIN_RAW

函数
PYMEM_DOMAIN_MEM

函数
PYMEM_DOMAIN_OBJ

函数

void PyMem_GetAllocator(PyMemAllocatorDomain domain, PyMemAllocatorEx \allocator*)

获取指定域的内存块分配器。

void PyMem_SetAllocator(PyMemAllocatorDomain domain, PyMemAllocatorEx \allocator*)

设置指定域的内存块分配器。

当请求零字节时，新的分配器必须返回一个独特的非 NULL 指针。

对于 PYMEM_DOMAIN_RAW 域，分配器必须是线程安全的：当分配器被调用时，不持有全局解释器锁。

如果新的分配器不是钩子（不调用之前的分配器），必须调用 PyMem_SetupDebugHooks() 函数在新分配器上重新安装调试钩子。

void PyMem_SetupDebugHooks(void)

设置检测 Python 内存分配器函数中错误的钩子。

新分配的内存由字节 0xCD ( CLEANBYTE ) 填充，释放的内存由字节 0xDD ( DEADBYTE )填充。内存块被 “禁止字节” 包围（ FORBIDDENBYTE ：字节 0xFD ）。

运行时检查：

检测对 API 的违反，例如：对用 PyMem_Malloc() 分配的缓冲区调用 PyObject_Free() 。
检测缓冲区起始位置前的写入（缓冲区下溢）。
检测缓冲区终止位置后的写入（缓冲区溢出）。
检测当调用 PYMEM_DOMAIN_OBJ (如: PyObject_Malloc()) 和 PYMEM_DOMAIN_MEM (如: PyMem_Malloc()) 域的分配器函数时 GIL 已被保持。

在出错时，调试钩子使用 tracemalloc 模块来回溯内存块被分配的位置。只有当 tracemalloc 正在追踪 Python 内存分配，并且内存块被追踪时，才会显示回溯。

如果 Python 是在调试模式下编译的，这些钩子是 installed by default 。环境变量 PYTHONMALLOC 可以用来在发布模式编译的 Python 上安装调试钩子。

在 3.6 版更改: 这个函数现在也适用于以发布模式编译的 Python。在出错时，调试钩子现在使用 tracemalloc 来回溯内存块被分配的位置。调试钩子现在也检查当 PYMEM_DOMAIN_OBJ 和 PYMEM_DOMAIN_MEM 域的函数被调用时，全局解释器锁是否被持有。

在 3.8 版更改: 字节模式 0xCB (CLEANBYTE)、 0xDB (DEADBYTE) 和 0xFB (FORBIDDENBYTE) 已被 0xCD 、 0xDD 和 0xFD 替代以使用与 Windows CRT 调试 malloc() 和 free() 相同的值。

pymalloc 分配器

Python 有为具有短生命周期的小对象（小于或等于 512 字节）优化的 pymalloc 分配器。它使用固定大小为 256 KiB 的称为 “arenas” 的内存映射。对于大于512字节的分配，它回到使用 PyMem_RawMalloc() 和 PyMem_RawRealloc() 。

pymalloc 是 PYMEM_DOMAIN_MEM (例如: PyMem_Malloc()) 和 PYMEM_DOMAIN_OBJ (例如: PyObject_Malloc()) 域的默认分配器。

arena 分配器使用以下函数：

Windows 上的 VirtualAlloc() 和 VirtualFree() ,
mmap() 和 munmap() ，如果可用，
否则， malloc() 和 free() 。

自定义 pymalloc Arena 分配器

3.4 新版功能.

PyObjectArenaAllocator

用来描述一个 arena 分配器的结构体。这个结构体有三个字段：

域	含义
`void ctx`	作为第一个参数传入的用户上下文
`void alloc(void ctx, size_t size)`	分配一块 size 字节的区域
`void free(void ctx, void *ptr, size_t size)`	释放一块区域

void PyObject_GetArenaAllocator(PyObjectArenaAllocator \allocator*)

获取 arena 分配器

void PyObject_SetArenaAllocator(PyObjectArenaAllocator \allocator*)

设置 arena 分配器

tracemalloc C API

3.7 新版功能.

int PyTraceMalloc_Track(unsigned int domain, uintptr_t ptr, size_t size)

在 tracemalloc 模块中跟踪一个已分配的内存块。

成功时返回 0，出错时返回 -1 (无法分配内存来保存跟踪信息)。如果禁用了 tracemalloc 则返回 -2。

如果内存块已被跟踪，则更新现有跟踪信息。

int PyTraceMalloc_Untrack(unsigned int domain, uintptr_t ptr)

在 tracemalloc 模块中取消跟踪一个已分配的内存块。如果内存块未被跟踪则不执行任何操作。

如果 tracemalloc 被禁用则返回 -2，否则返回 0。

示例

以下是来自概述小节的示例，经过重写以使 I/O 缓冲区是通过使用第一个函数集从 Python 堆中分配的:

PyObject *res;
char *buf = (char *) PyMem_Malloc(BUFSIZ); /* for I/O */
if (buf == NULL)
    return PyErr_NoMemory();
/* ...Do some I/O operation involving buf... */
res = PyBytes_FromString(buf);
PyMem_Free(buf); /* allocated with PyMem_Malloc */
return res;

使用面向类型函数集的相同代码:

PyObject *res;
char *buf = PyMem_New(char, BUFSIZ); /* for I/O */
if (buf == NULL)
    return PyErr_NoMemory();
/* ...Do some I/O operation involving buf... */
res = PyBytes_FromString(buf);
PyMem_Del(buf); /* allocated with PyMem_New */
return res;

请注意在以上两个示例中，缓冲区总是通过归属于相同集的函数来操纵的。事实上，对于一个给定的内存块必须使用相同的内存 API 族，以便使得混合不同分配器的风险减至最低。以下代码序列包含两处错误，其中一个被标记为 fatal 因为它混合了两种在不同堆上操作的不同分配器。

char *buf1 = PyMem_New(char, BUFSIZ);
char *buf2 = (char *) malloc(BUFSIZ);
char *buf3 = (char *) PyMem_Malloc(BUFSIZ);
...
PyMem_Del(buf3);  /* Wrong -- should be PyMem_Free() */
free(buf2);       /* Right -- allocated via malloc() */
free(buf1);       /* Fatal -- should be PyMem_Del()  */

除了旨在处理来自 Python 堆的原始内存块的函数之外， Python 中的对象是通过 PyObject_New(), PyObject_NewVar() 和 PyObject_Del() 来分配和释放的。

这些将在有关如何在 C 中定义和实现新对象类型的下一章中讲解。