python深入

到现在为止，Python学习已经可以告一段落。下面的部分，我想讨论Python的高级语法和底层实现。这一部分的内容并不是使用Python所必须的。但如果你想从事一些大型的Python开发(比如制作Python工具、写一个框架等)，你会希望对这一部分内容有所的了解。

一、特殊方法与多范式

Python 一切皆对象，但同时，Python还是一个多范式语言(multi-paradigm),你不仅可以使用面向对象的方式来编写程序，还可以用面向过程的方式来编写相同功能的程序(还有函数式、声明式等，我们暂不深入)。Python的多范式依赖于Python对象中的特殊方法(special method)。

特殊方法名的前后各有两个下划线。特殊方法又被成为魔法方法(magic method)，定义了许多Python 语法和表达方式，正如我们在下面的例子中将要看到的。当对象中定义了特殊方法的时候，Python也会对它们有“特殊优待”。比如定义了__init__()方法的类，会在创建对象的时候自动执行__init__()方法中的操作。

(可以通过dir()来查看对象所拥有的特殊方法，比如dir(1))。

1、运算符

Python的运算符是通过调用对象的特殊方法实现的。比如：

'abc' + 'xyz'               # 连接字符串

实际执行了如下操作：

'abc'.__add__('xyz')

所以，在Python中，两个对象是否能进行加法运算，首先就要看相应的对象是否有__add__()方法。一旦相应的对象有__add__()方法，即使这个对象从数学上不可加，我们都可以用加法的形式，来表达obj.__add__()所定义的操作。在Python中，运算符起到简化书写的功能，但它依靠特殊方法实现。

Python不强制用户使用面向对象的编程方法。用户可以选择自己喜欢的使用方式(比如选择使用+符号，还是使用更加面向对象的__add__()方法)。特殊方法写起来总是要更费事一点。

2、内置函数

与运算符类似，许多内置函数也都是调用对象的特殊方法。比如：

len([1,2,3])      # 返回表中元素的总数

实际上做的是：

[1,2,3].__len__()

相对与__len__()，内置函数len()也起到了简化书写的作用。

3、表（list）元素引用

下面是我们常见的表元素引用方式：

li = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
print(li[3])

上面的程序运行到li[3]的时候，Python发现并理解[]符号，然后调用__getitem__()方法。

li = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
print(li.__getitem__(3))

4、函数

我们已经说过，在Python中，函数也是一种对象。实际上，任何一个有__call__()特殊方法的对象都被当作是函数。比如下面的例子:

class SampleMore(object):
    def __call__(self, a):
        return a + 5

add = SampleMore()     # A function object
print(add(2))          # Call function    
map(add, [2, 4, 5])    # Pass around function object

add为SampleMore类的一个对象，当被调用时，add执行加5的操作。add还可以作为函数对象，被传递给map()函数。

当然，我们还可以使用更“优美”的方式，想想是什么。

二、上下文管理器

上下文管理器(context manager)是Python2.5开始支持的一种语法，用于规定某个对象的使用范围。一旦进入或者离开该使用范围，会有特殊操作被调用 (比如为对象分配或者释放内存)。它的语法形式是with...as...

1、关闭文件

我们会进行这样的操作：打开文件，读写，关闭文件。程序员经常会忘记关闭文件。上下文管理器可以在不需要文件的时候，自动关闭文件。

下面我们看一下两段程序：

# without context manager
f = open("new.txt", "w")
print(f.closed)               # whether the file is open
f.write("Hello World!")
f.close()
print(f.closed)

以及：

# with context manager
with open("new.txt", "w") as f:
    print(f.closed)
    f.write("Hello World!")
print(f.closed)

两段程序实际上执行的是相同的操作。我们的第二段程序就使用了上下文管理器 (with...as...)。上下文管理器有隶属于它的程序块。当隶属的程序块执行结束的时候(也就是不再缩进)，上下文管理器自动关闭了文件 (我们通过f.closed来查询文件是否关闭)。我们相当于使用缩进规定了文件对象f的使用范围。

上面的上下文管理器基于f对象的__exit__()特殊方法(还记得我们如何利用特殊方法来实现各种语法？参看特殊方法与多范式)。当我们使用上下文管理器的语法时，我们实际上要求Python在进入程序块之前调用对象的__enter__()方法，在结束程序块的时候调用__exit__()方法。对于文件对象f来说，它定义了__enter__()和__exit__()方法(可以通过dir(f)看到)。在f的__exit__()方法中，有self.close()语句。所以在使用上下文管理器时，我们就不用明文关闭f文件了。

2、自定义

任何定义了__enter__()和__exit__()方法的对象都可以用于上下文管理器。文件对象f是内置对象，所以f自动带有这两个特殊方法，不需要自定义。

下面，我们自定义用于上下文管理器的对象，就是下面的myvow：

# customized object

class VOW(object):
    def __init__(self, text):
        self.text = text
    def __enter__(self):
        self.text = "I say: " + self.text    # add prefix
        return self                          # note: return an object
    def __exit__(self,exc_type,exc_value,traceback):
        self.text = self.text + "!"          # add suffix


with VOW("I'm fine") as myvow:
    print(myvow.text)

print(myvow.text)

我们的运行结果如下:

I say: I'm fine
I say: I'm fine!

我们可以看到，在进入上下文和离开上下文时，对象的text属性发生了改变(最初的text属性是"I'm fine")。

__enter__()返回一个对象。上下文管理器会使用这一对象作为as所指的变量，也就是myvow。在__enter__()中，我们为myvow.text增加了前缀 ("I say: ")。在__exit__()中，我们为myvow.text增加了后缀("!")。

注意: __exit__()中有四个参数。当程序块中出现异常(exception)，__exit__()的参数中exc_type, exc_value, traceback用于描述异常。我们可以根据这三个参数进行相应的处理。如果正常运行结束，这三个参数都是None。在我们的程序中，我们并没有用到这一特性。

由于上下文管理器带来的便利，它是一个值得使用的工具。

三、对象的属性

Python一切皆对象(object)，每个对象都可能有多个属性(attribute)。Python的属性有一套统一的管理方案。

1、属性的__dict__系统

对象的属性可能来自于其类定义，叫做类属性(class attribute)。类属性可能来自类定义自身，也可能根据类定义继承来的。一个对象的属性还可能是该对象实例定义的，叫做对象属性(object attribute)。

对象的属性储存在对象的__dict__属性中。__dict__为一个词典，键为属性名，对应的值为属性本身。我们看下面的类和对象。chicken类继承自bird类，而summer为chicken类的一个对象。

class bird(object):
    feather = True

class chicken(bird):
    fly = False
    def __init__(self, age):
        self.age = age

summer = chicken(2)

print(bird.__dict__)
print(chicken.__dict__)
print(summer.__dict__)

下面为我们的输出结果：

{'__dict__': <attribute '__dict__' of 'bird' objects>, '__module__': '__main__', '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'bird' objects>, 'feather': True, '__doc__': None}


{'fly': False, '__module__': '__main__', '__doc__': None, '__init__': <function __init__ at 0x2b91db476d70>}


{'age': 2}

第一行为bird类的属性，比如feather。第二行为chicken类的属性，比如fly和__init__方法。第三行为summer对象的属性，也就是age。有一些属性，比如__doc__，并不是由我们定义的，而是由Python自动生成。此外，bird类也有父类，是object类(正如我们的bird定义，class bird(object))。这个object类是Python中所有类的父类。

可以看到，Python中的属性是分层定义的，比如这里分为object/bird/chicken/summer这四层。当我们需要调用某个属性的时候，Python会一层层向上遍历，直到找到那个属性。(某个属性可能出现再不同的层被重复定义，Python向上的过程中，会选取先遇到的那一个，也就是比较低层的属性定义)。

当我们有一个summer对象的时候，分别查询summer对象、chicken类、bird类以及object类的属性，就可以知道summer对象所有的__dict__，就可以找到通过对象summer可以调用和修改的所有属性了。下面两种属性修改方法等效：

summer.__dict__['age'] = 3
print(summer.__dict__['age'])

summer.age = 5
print(summer.age)

(上面的情况中，我们已经知道了summer对象的类为chicken，而chicken类的父类为bird。如果只有一个对象，而不知道它的类以及其他信息的时候，我们可以利用__class__属性找到对象的类，然后调用类的__base__属性来查询父类) 。

2、特性

同一个对象的不同属性之间可能存在依赖关系。当某个属性被修改时，我们希望依赖于该属性的其他属性也同时变化。这时，我们不能通过__dict__的方式来静态的储存属性。Python提供了多种即时生成属性的方法。其中一种称为特性(property)。特性是特殊的属性。比如我们为chicken类增加一个特性adult。当对象的age超过1时，adult为True；否则为False：

class bird(object):
    feather = True

class chicken(bird):
    fly = False
    def __init__(self, age):
        self.age = age
    def getAdult(self):
        if self.age > 1.0: return True
        else: return False
    adult = property(getAdult)   # property is built-in

summer = chicken(2)

print(summer.adult)
summer.age = 0.5
print(summer.adult)

特性使用内置函数property()来创建。property()最多可以加载四个参数。前三个参数为函数，分别用于处理查询特性、修改特性、删除特性。最后一个参数为特性的文档，可以为一个字符串，起说明作用。

我们使用下面一个例子进一步说明:

class num(object):
    def __init__(self, value):
        self.value = value
    def getNeg(self):
        return -self.value
    def setNeg(self, value):
        self.value = -value
    def delNeg(self):
        print("value also deleted")
        del self.value
    neg = property(getNeg, setNeg, delNeg, "I'm negative")

x = num(1.1)
print(x.neg)
x.neg = -22
print(x.value)
print(num.neg.__doc__)
del x.neg

上面的num为一个数字，而neg为一个特性，用来表示数字的负数。当一个数字确定的时候，它的负数总是确定的；而当我们修改一个数的负数时，它本身的值也应该变化。这两点由getNeg和setNeg来实现。而delNeg表示的是，如果删除特性neg，那么应该执行的操作是删除属性value。property()的最后一个参数("I'm negative")为特性negative的说明文档。

3、使用特殊方法__getattr__

我们可以用__getattr__(self, name)来查询即时生成的属性。当我们查询一个属性时，如果通过__dict__方法无法找到该属性，那么Python会调用对象的__getattr__方法，来即时生成该属性。比如:

class bird(object):
    feather = True

class chicken(bird):
    fly = False
    def __init__(self, age):
        self.age = age
    def __getattr__(self, name):
        if name == 'adult':
            if self.age > 1.0: return True
            else: return False
        else: raise AttributeError(name)

summer = chicken(2)

print(summer.adult)
summer.age = 0.5
print(summer.adult)

print(summer.male)

每个特性需要有自己的处理函数，而__getattr__可以将所有的即时生成属性放在同一个函数中处理。__getattr__可以根据函数名区别处理不同的属性。比如上面我们查询属性名male的时候，raise AttributeError。

(Python中还有一个__getattribute__特殊方法，用于查询任意属性。__getattr__只能用来查询不在__dict__系统中的属性)

__setattr__(self, name, value)和__delattr__(self, name)可用于修改和删除属性。它们的应用面更广，可用于任意属性。

4、即时生成属性的其他方式

即时生成属性还可以使用其他的方式，比如descriptor ( descriptor类实际上是property()函数的底层，property()实际上创建了一个该类的对象 ) 。有兴趣可以进一步查阅。

一、闭包

闭包(closure)是函数式编程的重要的语法结构。函数式编程是一种编程范式 (而面向过程编程和面向对象编程也都是编程范式)。在面向过程编程中，我们见到过函数(function)；在面向对象编程中，我们见过对象(object)。函数和对象的根本目的是以某种逻辑方式组织代码，并提高代码的可重复使用性(reusability)。闭包也是一种组织代码的结构，它同样提高了代码的可重复使用性。

不同的语言实现闭包的方式不同。Python以函数对象为基础，为闭包这一语法结构提供支持的 (我们在特殊方法与多范式中，已经多次看到Python使用对象来实现一些特殊的语法)。Python一切皆对象，函数这一语法结构也是一个对象。在函数对象中，我们像使用一个普通对象一样使用函数对象，比如更改函数对象的名字，或者将函数对象作为参数进行传递。

1、函数对象的作用域

和其他对象一样，函数对象也有其存活的范围，也就是函数对象的作用域。函数对象是使用def语句定义的，函数对象的作用域与def所在的层级相同。比如下面代码，我们在 line_conf 函数的隶属范围内定义的函数line，就只能在 line_conf 的隶属范围内调用。

def line_conf():
    def line(x):
        return 2*x+1
    print(line(5))   # within the scope

line_conf()
print(line(5))       # out of the scope

line函数定义了一条直线(y = 2x + 1)。可以看到，在 line_conf() 中可以调用line函数，而在作用域之外调用line将会有下面的错误：

NameError: name 'line' is not defined

说明这时已经在作用域之外。

同样，如果使用lambda定义函数，那么函数对象的作用域与lambda所在的层级相同。

2、闭包

函数是一个对象，所以可以作为某个函数的返回结果。

def line_conf():
    def line(x):
        return 2*x+1
    return line       # return a function object

my_line = line_conf()
print(my_line(5))

上面的代码可以成功运行。line_conf 的返回结果被赋给line对象。上面的代码将打印11。

如果line()的定义中引用了外部的变量，会发生什么呢？

def line_conf():
    b = 15
    def line(x):
        return 2*x+b
    return line       # return a function object

b = 5
my_line = line_conf()
print(my_line(5))

我们可以看到，line定义的隶属程序块中引用了高层级的变量b，但b信息存在于line的定义之外 (b的定义并不在line的隶属程序块中)。我们称b为line的环境变量。事实上，line作为line_conf 的返回值时，line中已经包括b的取值(尽管b并不隶属于line)。

上面的代码将打印25，也就是说，line所参照的b值是函数对象定义时可供参考的b值，而不是使用时的b值。

一个函数和它的环境变量合在一起，就构成了一个闭包(closure)。在Python中，所谓的闭包是一个包含有环境变量取值的函数对象。环境变量取值被保存在函数对象的__closure__属性中。比如下面的代码：

def line_conf():
    b = 15
    def line(x):
        return 2*x+b
    return line       # return a function object

b = 5
my_line = line_conf()
print(my_line.__closure__)
print(my_line.__closure__[0].cell_contents)

__closure__里包含了一个元组(tuple)。这个元组中的每个元素是cell类型的对象。我们看到第一个cell包含的就是整数15，也就是我们创建闭包时的环境变量b的取值。

下面看一个闭包的实际例子：

def line_conf(a, b):
    def line(x):
        return a*x + b
    return line

line1 = line_conf(1, 1)
line2 = line_conf(4, 5)
print(line1(5), line2(5))

这个例子中，函数line与环境变量a,b构成闭包。在创建闭包的时候，我们通过line_conf 的参数a,b说明了这两个环境变量的取值，这样，我们就确定了函数的最终形式(y = x + 1和y = 4x + 5)。我们只需要变换参数a,b，就可以获得不同的直线表达函数。由此，我们可以看到，闭包也具有提高代码可复用性的作用。

如果没有闭包，我们需要每次创建直线函数的时候同时说明a,b,x。这样，我们就需要更多的参数传递，也减少了代码的可移植性。利用闭包，我们实际上创建了泛函。line函数定义一种广泛意义的函数。这个函数的一些方面已经确定(必须是直线)，但另一些方面(比如a和b参数待定)。随后，我们根据line_conf传递来的参数，通过闭包的形式，将最终函数确定下来。

3、闭包与并行运算

闭包有效的减少了函数所需定义的参数数目。这对于并行运算来说有重要的意义。在并行运算的环境下，我们可以让每台电脑负责一个函数，然后将一台电脑的输出和下一台电脑的输入串联起来。最终，我们像流水线一样工作，从串联的电脑集群一端输入数据，从另一端输出数据。这样的情境最适合只有一个参数输入的函数。闭包就可以实现这一目的。

并行运算正称为一个热点。这也是函数式编程又热起来的一个重要原因。函数式编程早在1950年代就已经存在，但应用并不广泛。然而，我们上面描述的流水线式的工作并行集群过程，正适合函数式编程。由于函数式编程这一天然优势，越来越多的语言也开始加入对函数式编程范式的支持。

二、装饰器

装饰器(decorator)是一种高级Python语法。装饰器可以对一个函数、方法或者类进行加工。在Python中，我们有多种方法对函数和类进行加工，比如在Python闭包中，我们见到函数对象作为某一个函数的返回结果。相对于其它方式，装饰器语法简单，代码可读性高。因此，装饰器在Python项目中有广泛的应用。

装饰器最早在Python 2.5中出现，它最初被用于加工函数和方法这样的可调用对象(callable object，这样的对象定义有__call__方法)。在Python 2.6以及之后的Python版本中，装饰器被进一步用于加工类。

1、装饰函数和方法

我们先定义两个简单的数学函数，一个用来计算平方和，一个用来计算平方差：

# get square sum
def square_sum(a, b):
    return a**2 + b**2

# get square diff
def square_diff(a, b):
    return a**2 - b**2

print(square_sum(3, 4))
print(square_diff(3, 4))

在拥有了基本的数学功能之后，我们可能想为函数增加其它的功能，比如打印输入。我们可以改写函数来实现这一点：

# modify: print input

# get square sum
def square_sum(a, b):
    print("intput:", a, b)
    return a**2 + b**2

# get square diff
def square_diff(a, b):
    print("input", a, b)
    return a**2 - b**2

print(square_sum(3, 4))
print(square_diff(3, 4))

我们修改了函数的定义，为函数增加了功能。

现在，我们使用装饰器来实现上述修改：

def decorator(F):
    def new_F(a, b):
        print("input", a, b)
        return F(a, b)
    return new_F

# get square sum
@decorator
def square_sum(a, b):
    return a**2 + b**2

# get square diff
@decorator
def square_diff(a, b):
    return a**2 - b**2

print(square_sum(3, 4))
print(square_diff(3, 4))

装饰器可以用def的形式定义，如上面代码中的decorator。装饰器接收一个可调用对象作为输入参数，并返回一个新的可调用对象。装饰器新建了一个可调用对象，也就是上面的new_F。new_F中，我们增加了打印的功能，并通过调用F(a, b)来实现原有函数的功能。

定义好装饰器后，我们就可以通过@语法使用了。在函数square_sum和square_diff定义之前调用@decorator，我们实际上将square_sum或square_diff传递给decorator，并将decorator返回的新的可调用对象赋给原来的函数名(square_sum或square_diff)。 所以，当我们调用square_sum(3, 4)的时候，就相当于：

square_sum = decorator(square_sum)
square_sum(3, 4)

我们知道，Python中的变量名和对象是分离的。变量名可以指向任意一个对象。从本质上，装饰器起到的就是这样一个重新指向变量名的作用(name binding)，让同一个变量名指向一个新返回的可调用对象，从而达到修改可调用对象的目的。

与加工函数类似，我们可以使用装饰器加工类的方法。

如果我们有其他的类似函数，我们可以继续调用decorator来修饰函数，而不用重复修改函数或者增加新的封装。这样，我们就提高了程序的可重复利用性，并增加了程序的可读性。

2、含参的装饰器

在上面的装饰器调用中，比如@decorator，该装饰器默认它后面的函数是唯一的参数。装饰器的语法允许我们调用decorator时，提供其它参数，比如@decorator(a)。这样，就为装饰器的编写和使用提供了更大的灵活性。

# a new wrapper layer
def pre_str(pre=''):
    # old decorator
    def decorator(F):
        def new_F(a, b):
            print(pre + "input", a, b)
            return F(a, b)
        return new_F
    return decorator

# get square sum
@pre_str('^_^')
def square_sum(a, b):
    return a**2 + b**2

# get square diff
@pre_str('T_T')
def square_diff(a, b):
    return a**2 - b**2

print(square_sum(3, 4))
print(square_diff(3, 4))

上面的pre_str是允许参数的装饰器。它实际上是对原有装饰器的一个函数封装，并返回一个装饰器。我们可以将它理解为一个含有环境参量的闭包。当我们使用@pre_str('^_^')调用的时候，Python能够发现这一层的封装，并把参数传递到装饰器的环境中。该调用相当于:

square_sum = pre_str('^_^') (square_sum)

3、装饰类

在上面的例子中，装饰器接收一个函数，并返回一个函数，从而起到加工函数的效果。在Python 2.6以后，装饰器被拓展到类。一个装饰器可以接收一个类，并返回一个类，从而起到加工类的效果。

def decorator(aClass):
    class newClass:
        def __init__(self, age):
            self.total_display   = 0
            self.wrapped         = aClass(age)
        def display(self):
            self.total_display += 1
            print("total display", self.total_display)
            self.wrapped.display()
    return newClass

@decorator
class Bird:
    def __init__(self, age):
        self.age = age
    def display(self):
        print("My age is",self.age)

eagleLord = Bird(5)
for i in range(3):
    eagleLord.display()

在decorator中，我们返回了一个新类newClass。在新类中，我们记录了原来类生成的对象（self.wrapped），并附加了新的属性total_display，用于记录调用display的次数。我们也同时更改了display方法。

通过修改，我们的Bird类可以显示调用display的次数了。

装饰器的核心作用是name binding。这种语法是Python多编程范式的又一个体现。大部分Python用户都不怎么需要定义装饰器，但有可能会使用装饰器。鉴于装饰器在Python项目中的广泛使用，了解这一语法是非常有益的。

三、内存管理

语言的内存管理是语言设计的一个重要方面。它是决定语言性能的重要因素。无论是C语言的手工管理，还是Java的垃圾回收，都成为语言最重要的特征。这里以Python语言为例子，说明一门动态类型的、面向对象的语言的内存管理方式。

1、对象的内存使用

赋值语句是语言最常见的功能了。但即使是最简单的赋值语句，也可以很有内涵。Python的赋值语句就很值得研究。

a = 1

整数1为一个对象。而a是一个引用。利用赋值语句，引用a指向对象1。Python是动态类型的语言(参考动态类型)，对象与引用分离。Python像使用“筷子”那样，通过引用来接触和翻动真正的食物——对象。

引用和对象:

为了探索对象在内存的存储，我们可以求助于Python的内置函数id()。它用于返回对象的身份(identity)。其实，这里所谓的身份，就是该对象的内存地址。

a = 1

print(id(a))
print(hex(id(a)))

在我的计算机上，它们返回的是:

11246696
'0xab9c68'

分别为内存地址的十进制和十六进制表示。

在Python中，整数和短小的字符，Python都会缓存这些对象，以便重复使用。当我们创建多个等于1的引用时，实际上是让所有这些引用指向同一个对象。

a = 1
b = 1

print(id(a))
print(id(b))

上面程序返回：

11246696

11246696

可见a和b实际上是指向同一个对象的两个引用。

为了检验两个引用指向同一个对象，我们可以用is关键字。is用于判断两个引用所指的对象是否相同。

# True
a = 1
b = 1
print(a is b)

# True
a = "good"
b = "good"
print(a is b)

# False
a = "very good morning"
b = "very good morning"
print(a is b)

# False
a = []
b = []
print(a is b)

上面的注释为相应的运行结果。可以看到，由于Python缓存了整数和短字符串，因此每个对象只存有一份。比如，所有整数1的引用都指向同一对象。即使使用赋值语句，也只是创造了新的引用，而不是对象本身。长的字符串和其它对象可以有多个相同的对象，可以使用赋值语句创建出新的对象。

在Python中，每个对象都有存有指向该对象的引用总数，即引用计数(reference count)。

我们可以使用sys包中的getrefcount()，来查看某个对象的引用计数。需要注意的是，当使用某个引用作为参数，传递给getrefcount()时，参数实际上创建了一个临时的引用。因此，getrefcount()所得到的结果，会比期望的多1。

from sys import getrefcount

a = [1, 2, 3]
print(getrefcount(a))

b = a
print(getrefcount(b))

由于上述原因，两个getrefcount将返回2和3，而不是期望的1和2。

2、对象引用对象

Python的一个容器对象(container)，比如表、词典等，可以包含多个对象。实际上，容器对象中包含的并不是元素对象本身，是指向各个元素对象的引用。

我们也可以自定义一个对象，并引用其它对象:

class from_obj(object):
    def __init__(self, to_obj):
        self.to_obj = to_obj

b = [1,2,3]
a = from_obj(b)
print(id(a.to_obj))
print(id(b))

可以看到，a引用了对象b。

对象引用对象，是Python最基本的构成方式。即使是a = 1这一赋值方式，实际上是让词典的一个键值"a"的元素引用整数对象1。该词典对象用于记录所有的全局引用。该词典引用了整数对象1。我们可以通过内置函数globals()来查看该词典。

当一个对象A被另一个对象B引用时，A的引用计数将增加1。

from sys import getrefcount

a = [1, 2, 3]
print(getrefcount(a))

b = [a, a]
print(getrefcount(a))

由于对象b引用了两次a，a的引用计数增加了2。

容器对象的引用可能构成很复杂的拓扑结构。我们可以用objgraph包来绘制其引用关系，比如：

x = [1, 2, 3]
y = [x, dict(key1=x)]
z = [y, (x, y)]

import objgraph
objgraph.show_refs([z], filename='ref_topo.png')

objgraph是Python的一个第三方包。安装之前需要安装xdot。

sudo apt-get install xdot
sudo pip install -i http://mirrors.aliyuncs.com/pypi/simple objgraph

objgraph官网

两个对象可能相互引用，从而构成所谓的引用环(reference cycle)。

a = []
b = [a]
a.append(b)

即使是一个对象，只需要自己引用自己，也能构成引用环。

a = []
a.append(a)
print(getrefcount(a))

引用环会给垃圾回收机制带来很大的麻烦，我将在后面详细叙述这一点。

3、引用减少

某个对象的引用计数可能减少。比如，可以使用del关键字删除某个引用:

from sys import getrefcount

a = [1, 2, 3]
b = a
print(getrefcount(b))

del a
print(getrefcount(b))

del也可以用于删除容器元素中的元素，比如:

a = [1,2,3]
del a[0]
print(a)

如果某个引用指向对象A，当这个引用被重新定向到某个其他对象B时，对象A的引用计数减少:

from sys import getrefcount

a = [1, 2, 3]
b = a
print(getrefcount(b))

a = 1
print(getrefcount(b))

4、垃圾回收

吃太多，总会变胖，Python也是这样。当Python中的对象越来越多，它们将占据越来越大的内存。不过你不用太担心Python的体形，它会乖巧的在适当的时候“减肥”，启动垃圾回收(garbage collection)，将没用的对象清除。在许多语言中都有垃圾回收机制，比如Java和Ruby。尽管最终目的都是塑造苗条的提醒，但不同语言的减肥方案有很大的差异 (这一点可以对比本文和Java内存管理与垃圾回收)。

从基本原理上，当Python的某个对象的引用计数降为0时，说明没有任何引用指向该对象，该对象就成为要被回收的垃圾了。比如某个新建对象，它被分配给某个引用，对象的引用计数变为1。如果引用被删除，对象的引用计数为0，那么该对象就可以被垃圾回收。比如下面的表:

a = [1, 2, 3]
del a

del a后，已经没有任何引用指向之前建立的[1, 2, 3]这个表。用户不可能通过任何方式接触或者动用这个对象。这个对象如果继续待在内存里，就成了不健康的脂肪。当垃圾回收启动时，Python扫描到这个引用计数为0的对象，就将它所占据的内存清空。

然而，减肥是个昂贵而费力的事情。垃圾回收时，Python不能进行其它的任务。频繁的垃圾回收将大大降低Python的工作效率。如果内存中的对象不多，就没有必要总启动垃圾回收。所以，Python只会在特定条件下，自动启动垃圾回收。当Python运行时，会记录其中分配对象(object allocation)和取消分配对象(object deallocation)的次数。当两者的差值高于某个阈值时，垃圾回收才会启动。

我们可以通过gc模块的get_threshold()方法，查看该阈值:

import gc
print(gc.get_threshold())

返回(700, 10, 10)，后面的两个10是与分代回收相关的阈值，后面可以看到。700即是垃圾回收启动的阈值。可以通过gc中的set_threshold()方法重新设置。

我们也可以手动启动垃圾回收，即使用gc.collect()。

5、分代回收

Python同时采用了分代(generation)回收的策略。这一策略的基本假设是，存活时间越久的对象，越不可能在后面的程序中变成垃圾。我们的程序往往会产生大量的对象，许多对象很快产生和消失，但也有一些对象长期被使用。出于信任和效率，对于这样一些“长寿”对象，我们相信它们的用处，所以减少在垃圾回收中扫描它们的频率。

小家伙要多检查：

Python将所有的对象分为0，1，2三代。所有的新建对象都是0代对象。当某一代对象经历过垃圾回收，依然存活，那么它就被归入下一代对象。垃圾回收启动时，一定会扫描所有的0代对象。如果0代经过一定次数垃圾回收，那么就启动对0代和1代的扫描清理。当1代也经历了一定次数的垃圾回收后，那么会启动对0，1，2，即对所有对象进行扫描。

这两个次数即上面get_threshold()返回的(700, 10, 10)返回的两个10。也就是说，每10次0代垃圾回收，会配合1次1代的垃圾回收；而每10次1代的垃圾回收，才会有1次的2代垃圾回收。

同样可以用set_threshold()来调整，比如对2代对象进行更频繁的扫描。

import gc
gc.set_threshold(700, 10, 5)

6、孤立的引用环

引用环的存在会给上面的垃圾回收机制带来很大的困难。这些引用环可能构成无法使用，但引用计数不为0的一些对象。

a = []
b = [a]
a.append(b)

del a
del b

上面我们先创建了两个表对象，并引用对方，构成一个引用环。删除了a，b引用之后，这两个对象不可能再从程序中调用，就没有什么用处了。但是由于引用环的存在，这两个对象的引用计数都没有降到0，不会被垃圾回收。

孤立的引用环：

为了回收这样的引用环，Python复制每个对象的引用计数，可以记为gc_ref。假设，每个对象i，该计数为gc_ref_i。Python会遍历所有的对象i。对于每个对象i引用的对象j，将相应的gc_ref_j减1。

遍历后的结果：

在结束遍历后，gc_ref不为0的对象，和这些对象引用的对象，以及继续更下游引用的对象，需要被保留。而其它的对象则被垃圾回收。