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Python內(nèi)存分配時有哪些不為你知的小秘密?

Python 中的sys模塊極為基礎(chǔ)而重要,它主要提供了一些給解釋器使用(或由它維護(hù))的變量,以及一些與解釋器強(qiáng)交互的函數(shù)。

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本次的Python學(xué)習(xí)教程分享將會頻繁地使用該模塊的 getsizeof()方法,因此,先簡單跟大家介紹一下:

  • 這個方法用于獲取一個對象的字節(jié)大?。╞ytes)
  • 它只計(jì)算直接占用的內(nèi)存,而不計(jì)算對象內(nèi)所引用對象的內(nèi)存

這里有個直觀的例子:

import sys
a = [1, 2]
b = [a, a] # 即 [[1, 2], [1, 2]]
# a、b 都只有兩個元素,所以直接占用的大小相等
sys.getsizeof(a) # 結(jié)果:80
sys.getsizeof(b) # 結(jié)果:80

上例說明了一件事:一個靜態(tài)創(chuàng)建的列表,如果只包含兩個元素,那它自身占用的內(nèi)存就是 80 字節(jié),不管其元素所指向的對象是什么。

好了,擁有這把測量工具,我們就來探究一下 Python 的內(nèi)置對象都藏了哪些你不知道小秘密吧。

Python內(nèi)存分配時有哪些不為你知的小秘密?

1、空對象不是“空”的!

對于我們熟知的一些空對象,例如空字符串、空列表、空字典等等,不知道大家是否曾好奇過,是否曾思考過這些問題:

空的對象是不是不占用內(nèi)存呢?如果占內(nèi)存,那占用多少呢?為什么是這樣分配的呢?

直接上代碼,一起來看看幾類基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空對象的大?。?/p>

import sys
sys.getsizeof("") # 49
sys.getsizeof([]) # 64
sys.getsizeof(()) # 48
sys.getsizeof(set()) # 224
sys.getsizeof(dict()) # 240
# 作為參照:
sys.getsizeof(1) # 28
sys.getsizeof(True) # 28

可見,雖然都是空對象,但是這些對象在內(nèi)存分配上并不為“空”,而且分配得還挺大(記住這幾個數(shù)字哦,后面會考)。

排一下序:基礎(chǔ)數(shù)字<空元組 < 空字符串 < 空列表 < 空集合 < 空字典。

這個小秘密該怎么解釋呢?

因?yàn)檫@些空對象都是容器,我們可以抽象地理解:它們的一部分內(nèi)存用于創(chuàng)建容器的骨架、記錄容器的信息(如引用計(jì)數(shù)、使用量信息等等)、還有一部分內(nèi)存則是預(yù)分配的。

2、內(nèi)存擴(kuò)充不是均勻的!

空對象并不為空,一部分原因是 Python 解釋器為它們預(yù)分配了一些初始空間。在不超出初始內(nèi)存的情況下,每次新增元素,就使用已有內(nèi)存,因而避免了再去申請新的內(nèi)存。

那么,如果初始內(nèi)存被分配完之后,新的內(nèi)存是怎么分配的呢?

import sys
letters = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"
a = []
for i in letters:
 a.append(i)
 print(f'{len(a)}, sys.getsizeof(a) = {sys.getsizeof(a)}')
b = set()
for j in letters:
 b.add(j)
 print(f'{len(b)}, sys.getsizeof(b) = {sys.getsizeof(b)}')
c = dict()
for k in letters:
 c[k] = k
 print(f'{len(c)}, sys.getsizeof(c) = {sys.getsizeof(c)}')

分別給三類可變對象添加 26 個元素,看看結(jié)果如何:

Python內(nèi)存分配時有哪些不為你知的小秘密?

由此能看出可變對象在擴(kuò)充時的秘密:

  • 超額分配機(jī)制:申請新內(nèi)存時并不是按需分配的,而是多分配一些,因此當(dāng)再添加少量元素時,不需要馬上去申請新內(nèi)存
  • 非均勻分配機(jī)制:三類對象申請新內(nèi)存的頻率是不同的,而同一類對象每次超額分配的內(nèi)存并不是均勻的,而是逐漸擴(kuò)大的

3、列表不等于列表!

以上的可變對象在擴(kuò)充時,有相似的分配機(jī)制,在動態(tài)擴(kuò)容時可明顯看出效果。

那么,靜態(tài)創(chuàng)建的對象是否也有這樣的分配機(jī)制呢?它跟動態(tài)擴(kuò)容比,是否有所區(qū)別呢?

先看看集合與字典:

# 靜態(tài)創(chuàng)建對象
set_1 = {1, 2, 3, 4}
set_2 = {1, 2, 3, 4, 5}
dict_1 = {'a':1, 'b':2, 'c':3, 'd':4, 'e':5}
dict_2 = {'a':1, 'b':2, 'c':3, 'd':4, 'e':5, 'f':6}
sys.getsizeof(set_1) # 224
sys.getsizeof(set_2) # 736
sys.getsizeof(dict_1) # 240
sys.getsizeof(dict_2) # 368

看到這個結(jié)果,再對比上一節(jié)的截圖,可以看出: 在元素個數(shù)相等時,靜態(tài)創(chuàng)建的集合/字典所占的內(nèi)存跟動態(tài)擴(kuò)容時完全一樣。

這個結(jié)論是否適用于列表對象呢?一起看看:

list_1 = ['a', 'b']
list_2 = ['a', 'b', 'c']
list_3 = ['a', 'b', 'c', 'd']
list_4 = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']
sys.getsizeof(list_1) # 80
sys.getsizeof(list_2) # 88
sys.getsizeof(list_3) # 96
sys.getsizeof(list_4) # 104

上一節(jié)的截圖顯示,列表在前 4 個元素時都占 96 字節(jié),在 5 個元素時占 128 字節(jié),與這里明顯矛盾。

所以,這個秘密昭然若揭: 在元素個數(shù)相等時,靜態(tài)創(chuàng)建的列表所占的內(nèi)存有可能小于動態(tài)擴(kuò)容時的內(nèi)存!

也就是說,這兩種列表看似相同,實(shí)際卻不同!列表不等于列表!

4、消減元素并不會釋放內(nèi)存!

前面提到了,擴(kuò)充可變對象時,可能會申請新的內(nèi)存。

那么,如果反過來縮減可變對象,減掉一些元素后,新申請的內(nèi)存是否會自動回收掉呢?

import sys
a = [1, 2, 3, 4]
sys.getsizeof(a) # 初始值:96
a.append(5) # 擴(kuò)充后:[1, 2, 3, 4, 5]
sys.getsizeof(a) # 擴(kuò)充后:128
a.pop() # 縮減后:[1, 2, 3, 4]
sys.getsizeof(a) # 縮減后:128

如代碼所示,列表在一擴(kuò)一縮后,雖然回到了原樣,但是所占用的內(nèi)存空間可沒有自動釋放啊。其它的可變對象同理。

這就是 Python 的小秘密了, “胖子無法減重原理”:瘦子變胖容易,縮減身型也容易,但是體重減不掉,哈哈~~~

5、空字典不等于空字典!

使用 pop() 方法,只會縮減可變對象中的元素,但并不會釋放已申請的內(nèi)存空間。

還有個 clear() 方法,它會清空可變對象的所有元素,讓我們試試看吧:

import sys
a = [1, 2, 3]
b = {1, 2, 3}
c = {'a':1, 'b':2, 'c':3}
sys.getsizeof(a) # 88
sys.getsizeof(b) # 224
sys.getsizeof(c) # 240
a.clear() # 清空后:[]
b.clear() # 清空后:set()
c.clear() # 清空后:{},也即 dict()

調(diào)用 clear() 方法,我們就獲得了幾個空對象。

在第一小節(jié)里,它們的內(nèi)存大小已經(jīng)被查驗(yàn)過了。(前面說過會考的,請 默寫回看下)

但是,如果這時再查驗(yàn)的話,你會驚訝地發(fā)現(xiàn),這些空對象的大小跟前面查的并不完全一樣!

# 承接前面的清空操作:
sys.getsizeof(a) # 64
sys.getsizeof(b) # 224
sys.getsizeof(c) # 72

空列表與空元組的大小不變,然而空字典(72)竟然比前面的空字典(240)要小很多!

也就是說,列表與元組在清空元素后,回到起點(diǎn)不變初心,然而,字典這家伙卻是“賠了夫人又折兵”,不僅把“吃”進(jìn)去的全吐出來了,還把自己的老本給虧掉了!

字典的這個秘密藏得挺深的,說實(shí)話我也是剛剛獲知,百思不得其解……

好啦,就這么多啦!看完之后,是不是漲姿勢了?


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