8.23 循环引用数据结构的内存管理

## 问题 你的程序创建了很多循环引用数据结构(比如树、图、观察者模式等)，你碰到了内存管理难题。 ## 解决方案 一个简单的循环引用数据结构例子就是一个树形结构，双亲节点有指针指向孩子节点，孩子节点又返回来指向双亲节点。这种情况下，可以考虑使用 `weakref` 库中的弱引用。例如： import weakref class Node: def __init__(self, value): self.value = value self._parent = None self.children = [] def __repr__(self): return 'Node({!r:})'.format(self.value) # property that manages the parent as a weak-reference @property def parent(self): return None if self._parent is None else self._parent() @parent.setter def parent(self, node): self._parent = weakref.ref(node) def add_child(self, child): self.children.append(child) child.parent = self 这种是想方式允许parent静默终止。例如： >>> root = Node('parent') >>> c1 = Node('child') >>> root.add_child(c1) >>> print(c1.parent) Node('parent') >>> del root >>> print(c1.parent) None >>> ## 讨论 循环引用的数据结构在Python中是一个很棘手的问题，因为正常的垃圾回收机制不能适用于这种情形。例如考虑如下代码： # Class just to illustrate when deletion occurs class Data: def __del__(self): print('Data.__del__') # Node class involving a cycle class Node: def __init__(self): self.data = Data() self.parent = None self.children = [] def add_child(self, child): self.children.append(child) child.parent = self 下面我们使用这个代码来做一些垃圾回收试验： >>> a = Data() >>> del a # Immediately deleted Data.__del__ >>> a = Node() >>> del a # Immediately deleted Data.__del__ >>> a = Node() >>> a.add_child(Node()) >>> del a # Not deleted (no message) >>> 可以看到，最后一个的删除时打印语句没有出现。原因是Python的垃圾回收机制是基于简单的引用计数。当一个对象的引用数变成0的时候才会立即删除掉。而对于循环引用这个条件永远不会成立。因此，在上面例子中最后部分，父节点和孩子节点互相拥有对方的引用，导致每个对象的引用计数都不可能变成0。 Python有另外的垃圾回收器来专门针对循环引用的，但是你永远不知道它什么时候会触发。另外你还可以手动的触发它，但是代码看上去很挫： >>> import gc >>> gc.collect() # Force collection Data.__del__ Data.__del__ >>> 如果循环引用的对象自己还定义了自己的 `__del__()` 方法，那么会让情况变得更糟糕。假设你像下面这样给Node定义自己的 `__del__()` 方法： # Node class involving a cycle class Node: def __init__(self): self.data = Data() self.parent = None self.children = [] def add_child(self, child): self.children.append(child) child.parent = self # NEVER DEFINE LIKE THIS. # Only here to illustrate pathological behavior def __del__(self): del self.data del.parent del.children 这种情况下，垃圾回收永远都不会去回收这个对象的，还会导致内存泄露。如果你试着去运行它会发现，`Data.__del__` 消息永远不会出现了,甚至在你强制内存回收时： >>> a = Node() >>> a.add_child(Node() >>> del a # No message (not collected) >>> import gc >>> gc.collect() # No message (not collected) >>> 弱引用消除了引用循环的这个问题，本质来讲，弱引用就是一个对象指针，它不会增加它的引用计数。你可以通过 `weakref` 来创建弱引用。例如： >>> import weakref >>> a = Node() >>> a_ref = weakref.ref(a) >>> a_ref <weakref at 0x100581f70; to 'Node' at 0x1005c5410> >>> 为了访问弱引用所引用的对象，你可以像函数一样去调用它即可。如果那个对象还存在就会返回它，否则就返回一个None。由于原始对象的引用计数没有增加，那么就可以去删除它了。例如; >>> print(a_ref()) <__main__.Node object at 0x1005c5410> >>> del a Data.__del__ >>> print(a_ref()) None >>> 通过这里演示的弱引用技术，你会发现不再有循环引用问题了，一旦某个节点不被使用了，垃圾回收器立即回收它。你还能参考8.25小节关于弱引用的另外一个例子。