[Python] 对象引用、可变性和垃圾回收

《流畅的Python》卢西亚诺·拉马略第8章读书笔记

8.1 变量不是盒子

为了理解Python中的赋值语句，应该始终先读右边。对象在右边创建或获取，在此之后左边的变量才会绑定到对象上，这就像为对象贴上标注。
因为变量只不过是标注，所以无法阻止为对象贴上多个标注。

8.2 标识、相等性和别名

每个变量都有标识、类型和值。对象一旦创建，它的标识绝不会变；你可以把标识理解为对象在内存中的地址。
==运算符比较两个对象的值（对象中保存的数据）
is比较对象的标识，id()函数返回对象标识的整数表示

最常使用is检查变量绑定的值是否为None
x is None
x is not None

is运算符比==速度快，因为它不能重载，所以Python不用寻找并调用特殊方法，而是直接比较两个整数ID。而a==b是语法糖，等同于a.__eq__(b)。继承自object的__eq__方法比较两个对象的ID，结果与is一样。但是多数内置类型使用更有意义的方式覆盖了__eq__方法，会考虑对象属性的值。

8.3 默认做浅复制

构造方法或[:]做的是浅复制（即复制了最外层容器，副本中的元素是源容器中元素的引用）。如果所有元素都是不可变的，那么这样没有问题，还能节省内存。但是，如果有可变的元素，可能就会导致意想不到的问题。

为任意对象做深复制和浅复制
有时我们需要的是深复制（即副本不共享内部对象的引用）。copy模块提供的deepcopy和copy函数能为任意对象做深复制和浅复制。为了演示copy() 和deepcopy() 的用法，下例定义了一个简单的类，Bus。这个类表示运载乘客的校车，在途中乘客会上车或下车。
【例】校车乘客在途中上车和下车

class Bus:def __init__(self, passengers=None):if passengers is None:self.passengers = []else:self.passengers = list(passengers)def pick(self, name):self.passengers.append(name)def drop(self, name):self.passengers.remove(name)

交互式控制台中创建一个Bus实例和两个副本

>>> import copy
>>> from Bus import Bus
>>> bus1 = Bus(['Alice', 'Bill', 'Claire', 'David'])
>>> bus2 = copy.copy(bus1)
>>> bus3 = copy.deepcopy(bus1)
>>> id(bus1), id(bus2), id(bus3)
(140137100109976, 140137100110144, 140137100110312)
>>> bus1.drop('Bill')
>>> bus1.passengers
['Alice', 'Claire', 'David']
>>> bus2.passengers
['Alice', 'Claire', 'David']
>>> bus3.passengers
['Alice', 'Bill', 'Claire', 'David']
>>> id(bus1.passengers), id(bus2.passengers), id(bus3.passengers)
(140137100086024, 140137100086024, 140137136242952)
>>>

说明：
line4, bus2是bus1的浅复制
line5, bus3是bus1的深复制
line8, bus1中的'Bill'下车
line12, bus2中也没有'Bill'
line15, 审查passengers属性后发现，bus1和bus2共享同一个列表对象

8.4 函数的参数作为引用时

8.4.1 不要使用可变类型作为参数

以例1为基础定义一个新类HauntedBus，然后修改__init__方法。passengers的默认值不是None，而是[]，这样就不用像之前那样使用if判断了。这个“聪明的举动”会让我们陷入麻烦。
【例2】一个简单的类，说明可变默认值的危险

class HauntedBus:"""备受幽灵乘客折磨的校车"""def __init__(self, passengers=[]):self.passengers = passengersdef pick(self, name):self.passengers.append(name)def drop(self, name):self.passengers.remove(name)

line3 如果没传入passengers参数，使用默认绑定的列表对象，一开始是空列表。
line4 这个赋值语句把self.passengers变成passengers的别名，而没有传入passengers参数时，self.passengers是默认列表的别名。
line6、8 在self.passengers上调用.append()和.remove()方法时，修改的其实是默认列表，它是函数对象的一个属性。
HauntedBus的诡异行为 -->

>>> from Bus import HauntedBus
>>> bus1 = HauntedBus(['Alice', 'Bill'])
>>> bus1.passengers
['Alice', 'Bill']
>>> bus1.pick('Charlie')
>>> bus1.drop('Alice')
>>> bus1.passengers
['Bill', 'Charlie']
>>>
>>> bus2 = HauntedBus()
>>> bus2.pick('Carrie')
>>> bus2.passengers
['Carrie']
>>>
>>> bus3 = HauntedBus()
>>> bus3.passengers
['Carrie']
>>> bus3.pick('Dave')
>>> bus3.passengers
['Carrie', 'Dave']
>>>
>>> bus2.passengers
['Carrie', 'Dave']
>>> bus2.passengers is bus3.passengers
True
>>> bus1.passengers
['Bill', 'Charlie']
>>>

说明：

line7 目前没什么问题，bus1没有出现异常。
line10 一开始，bus2是空的，因此把默认的空列表赋值给self.passengers。
line15 bus3一开始也是空的，因此还是赋值默认的列表。
line16 但是默认列表不为空！
line22 登上bus3的Dave出现在bus2中。
line24 问题是，bus2.passengers和bus3.passengers指代同一个列表。
line26 但bus1.passengers是不同的列表。

问题在于，没有指定初始乘客的HauntedBus实例会共享同一个乘客列表。
实例化HauntedBus时，如果传入乘客，会按预期运作。
但是不为HauntedBus指定初始乘客的话，self.passengers变成了passengers参数默认值的别名。

审查HauntedBus.__init__对象，看看它的__defaults__属性中的那些幽灵学生：

>>> dir(HauntedBus.__init__)
['__annotations__', '__call__', '__class__', '__closure__', '__code__', '__defaults__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__get__', '__getattribute__', '__globals__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__kwdefaults__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__name__', '__ne__', '__new__', '__qualname__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__']
>>>
>>> HauntedBus.__init__.__defaults__
(['Carrie', 'Dave'],)
>>>

我们可以验证bus2.passengers是一个别名，它绑定到HauntedBus.__init__.__defaults__属性的第一个元素上：

>>> HauntedBus.__init__.__defaults__[0] is bus2.passengers
True
>>>

可变默认值导致的这个问题说明了为什么通常使用None作为接收可变值的参数的默认值。
在例1中，__init__方法检查passengers参数的值是否为None，如果是就把一个新的空列表赋值给self.passengers。如果passengers不是None，正确的实现会把passengers的副本赋值给self.passengers。

8.4.2 防御可变参数

在__init__中，传入passengers参数时，应该把参数值的副本赋值给self.passengers

除非这个方法确实想修改通过参数传入的对象，否则在类中直接把参数赋值给实例变量之前一定要三思，因为这样会为参数对象创建别名。

8.5 del和垃圾回收

del语句删除名称（对象的引用），而不是对象。
对象才会在内存中存在是因为有引用。当对象的引用数量归零后，垃圾回收程序会把对象销毁。

仅当删除的变量保存的是对象的最后一个引用，或者无法得到对象时，del命令会导致对象被当作垃圾回收。
重新绑定也可能会导致对象的引用数量归零，导致对象被销毁。

8.6 弱引用

有时需要引用对象，而不让对象存在的时间超过所需时间，这经常用在缓存中。
弱引用不会增加对象的引用数量 ==> 弱引用不会妨碍所指对象被当作垃圾回收

引用的目标对象称为所指对象（referent），如果所指对象不存在了，返回None

>>> import weakref
>>> a_set = {0, 1}
>>> wref = weakref.ref(a_set)   #创建弱引用对象wref
>>> wref
<weakref at 0x7f86f289af98; to 'set' at 0x7f86f0b799e8>
>>> wref()  #调用wref()返回的是被引用的对象，{0, 1}。因为这是控制台会话，所以{0, 1}会绑定给_变量
{0, 1}
>>> _
{0, 1}
>>>
>>> a_set = {2, 3, 4}   #a_set不再指代{0, 1}集合，因此集合的引用数量减少了。但是_变量仍然指代它。
>>>
>>> _
{0, 1}
>>> wref()   #调用wref()依旧返回{0, 1}。
{0, 1}
>>>
>>> wref() is None   #计算这个表达式时，{0, 1}存在，因此wref()不是None。
False
>>> _   #随后_绑定到结果值False。现在{0, 1}没有强引用了。
False
>>>
>>> wref() is None   #因为{0, 1}对象不存在了，所以wref()返回None。
True
>>>

说明：多数程序最好使用WeakKeyDictionary、WeakValueDictionary、WeakSet和finalize（在内部使用弱引用），不要自己动手创建并处理weakref.ref实例。

8.6.1 WeakValueDictionary简介

WeakValueDictionary类实现的是一种可变映射，里面的值是对象的弱引用。被引用的对象在程序中的其它地方被当作垃圾回收后，对应的键会自动从WeakValueDictionary中删除。因此，WeakValueDictionary经常用于缓存。

class Cheese:def __init__(self, kind):self.kind = kinddef __repr__(self):return 'Cheese(%r)'%self.kind

把catalog中的各种奶酪载入WeakValueDictionary实现的stock中。删除catalog后，stock中只剩下一种奶酪了。你知道为什么帕尔马干酪（Parmesan）比其他奶酪保存的时间长吗？代码后面的提示中有答案。
交互式环境测试：

>>> from Cheese import Cheese
>>> import weakref
>>> stock = weakref.WeakValueDictionary()   #stock是WeakValueDictionary实例
>>> catalog = [Cheese('Red Leicester'), Cheese('Tilsit'),Cheese('Brie'), Cheese('Parmesan')]
>>> for cheese in catalog:
...     stock[cheese.kind] = cheese   #stock把奶酪的名称映射到catalog中Cheese实例的弱引用上
>>> sorted(stock.keys())
['Brie', 'Parmesan', 'Red Leicester', 'Tilsit']   #stock是完整的。
>>> del catalog
>>> sorted(stock.keys())
['Parmesan']   #删除catalog之后，stock中的大多数奶酪都不见了，这是WeakValueDictionary的预期行为。为什么不是全部呢？
>>>
>>> del cheese
>>> sorted(stock.keys())
[]
>>>

临时变量引用了对象，这可能会导致该变量的存在时间比预期长。通常，这对局部变量来说不是问题，因为它们在函数返回时会被销毁。但上述举例中，for循环中的变量cheese是全局变量，除非显式删除，否则不会消失。

与WeakValueDictionary对应的是WeakKeyDictionary，后者的键是弱引用。

8.6.2 弱引用的局限

不是每个Python对象都可以作为弱引用的目标（或称所指对象）。
基本的list和dict实例不能作为所指对象，但是它们的子类可以轻松地解决这个问题；
set实例可以作为所指对象，用户定义的类型也没问题；
int和tuple实例不能作为弱引用的目标，甚至它们的子类也不行。