Python 記憶體分配時的小祕密

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Python 中的sys模組極為基礎而重要,它主要提供了一些給直譯器使用(或由它維護)的變數,以及一些與直譯器強互動的函式。

本文將會頻繁地使用該模組的getsizeof()方法,因此,我先簡要介紹一下:

  • 該方法用於獲取一個物件的位元組大小(bytes)
  • 它只計算直接佔用的記憶體,而不計算物件內所引用物件的記憶體

這裡有個直觀的例子:

import sys

a = [1, 2]
b = [a, a]  # 即 [[1, 2], [1, 2]]

# a、b 都只有兩個元素,所以直接佔用的大小相等
sys.getsizeof(a) # 結果:80
sys.getsizeof(b) # 結果:80

上例說明了一件事:一個靜態建立的列表,如果只包含兩個元素,那它自身佔用的記憶體就是 80 位元組,不管其元素所指向的物件是什麼。

好了,擁有這把測量工具,我們就來探究一下 Python 的內建物件都藏了哪些小祕密吧。

1、空物件不是“空”的!
對於我們熟知的一些空物件,例如空字串、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:
空的物件是不是不佔用記憶體呢?如果佔記憶體,那佔用多少呢?為什麼是這樣分配的呢?

直接上程式碼吧,一起來看看幾類基本資料結構的空物件的大小:

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,雖然都是空物件,但是這些物件在記憶體分配上並不為“空”,而且分配得還挺大(記住這幾個數字哦,後面會考)。

排一下序:基礎數字<空元組 < 空字串 < 空列表 < 空集合 < 空字典。

這個小祕密該怎麼解釋呢?

因為這些空物件都是容器,我們可以抽象地理解:它們的一部分記憶體用於建立容器的骨架、記錄容器的資訊(如引用計數、使用量資訊等等)、還有一部分記憶體則是預分配的。

2、記憶體擴充不是均勻的!
空物件並不為空,一部分原因是 Python 直譯器為它們預分配了一些初始空間。在不超出初始記憶體的情況下,每次新增元素,就使用已有記憶體,因而避免了再去申請新的記憶體。

那麼,如果初始記憶體被分配完之後,新的記憶體是怎麼分配的呢?

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)}')

分別給三類可變物件新增 26 個元素,看看結果如何:

由此能看出可變物件在擴充時的祕密:

  • 超額分配機制:申請新記憶體時並不是按需分配的,而是多分配一些,因此當再新增少量元素時,不需要馬上去申請新記憶體
  • 非均勻分配機制:三類物件申請新記憶體的頻率是不同的,而同一類物件每次超額分配的記憶體並不是均勻的,而是逐漸擴大的

3、列表不等於列表!
以上的可變物件在擴充時,有相似的分配機制,在動態擴容時可明顯看出效果。

那麼,靜態建立的物件是否也有這樣的分配機制呢?它跟動態擴容比,是否有所區別呢?

先看看集合與字典:

# 靜態建立物件
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

看到這個結果,再對比上一節的截圖,可以看出:在元素個數相等時,靜態建立的集合/字典所佔的記憶體跟動態擴容時完全一樣。

這個結論是否適用於列表物件呢?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

上一節的截圖顯示,列表在前 4 個元素時都佔 96 位元組,在 5 個元素時佔 128 位元組,與這裡明顯矛盾。

所以,這個祕密昭然若揭:在元素個數相等時,靜態建立的列表所佔的記憶體有可能小於動態擴容時的記憶體!

也就是說,這兩種列表看似相同,實際卻不同!列表不等於列表!

4、消減元素並不會釋放記憶體!
前面提到了,擴充可變物件時,可能會申請新的記憶體。

那麼,如果反過來縮減可變物件,減掉一些元素後,新申請的記憶體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)      # 擴充後:[1, 2, 3, 4, 5]
sys.getsizeof(a) # 擴充後:128
a.pop()          # 縮減後:[1, 2, 3, 4]
sys.getsizeof(a) # 縮減後:128

如程式碼所示,列表在一擴一縮後,雖然回到了原樣,但是所佔用的記憶體空間可沒有自動釋放啊。其它的可變物件同理。

這就是 Python 的小祕密了,“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、空字典不等於空字典!
使用 pop() 方法,只會縮減可變物件中的元素,但並不會釋放已申請的記憶體空間。

還有個 clear() 方法,它會清空可變物件的所有元素,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()        # 清空後:[]
b.clear()        # 清空後:set()
c.clear()        # 清空後:{},也即 dict()

呼叫 clear() 方法,我們就獲得了幾個空物件。

在第一小節裡,它們的記憶體大小已經被查驗過了。(前面說過會考的,請默寫回看下)

但是,如果這時再查驗的話,你會驚訝地發現,這些空物件的大小跟前面查的並不完全一樣!

# 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後,回到起點不變初心,然而,字典這傢伙卻是“賠了夫人又折兵”,不僅把“吃”進去的全吐出來了,還把自己的老本給虧掉了!

字典的這個祕密藏得挺深的,說實話我也是剛剛獲知,百思不得其解……

以上就是 Python 在分配記憶體時的幾個小祕密啦,看完之後,你是否覺得漲見識了呢?

你想明白了幾個呢

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