Python的引入

人類認(rèn)識世界是從認(rèn)識世界中的一個又一個實物開始，然后再對其用語言加以描述。例如當(dāng)中國人看到蘋果時，便會用中文“蘋果”加以描述，而用英語的一些國家則會用“apple”加以描述。

以上說到的中文和英文都是人類認(rèn)識并描述世界的一個工具，而在計算機(jī)的世界中，為了讓計算機(jī)去認(rèn)知世界，從而幫助人類完成更多的任務(wù)。在計算機(jī)領(lǐng)域中也發(fā)展了語言這個工具，從早期的機(jī)器語言到匯編語言再到現(xiàn)在使用范圍較廣的高級語言。而我們接下來要介紹的Python則屬于高級語言這一分支。

變量的引入

為什么要有變量

上面說到Python是計算機(jī)世界中用來描述外部世界的，并且也提及了世界就是一個又一個實物的堆疊，描述世界其實就是去描述那一個又一個實物，人類如此，計算機(jī)也是如此。因此計算機(jī)語言開發(fā)者們?yōu)榱耸褂糜嬎銠C(jī)語言的人更好的在計算機(jī)中去描述這些實物，便在計算機(jī)語言中引入了變量這個概念，Python也不例外。簡單點說，變量就是用來描述世間萬物的。

定義變量

為了在計算機(jī)書寫方便，定義一變量也有一定的規(guī)則，在這里我們僅說說Python中變量的定義規(guī)則，首先我們先定義兩個變量：

name = 'chenyoude'
year = 2021

上述代碼中我們便定義了兩個變量，從上面定義的兩個變量中，我們可以看到，變量的組成分為三個部分：

1. 變量名：反應(yīng)變量值所描述的意義，并且可以用來引用變量值。
2. 賦值符號：賦值。
3. 變量值：存放數(shù)據(jù)，用來記錄現(xiàn)實世界中的某種狀態(tài)。
   

常量引入

上面簡單講解了Python中的變量，通過字面意思，可以看到變量其實是一個變化的量，例如，下面這個實例：

year = 2021
year = year + 1
print(year) # 輸出結(jié)果：2022

剛開始我們賦予了year一個變量值為2021，當(dāng)我們對year進(jìn)行加1操作時，可以發(fā)現(xiàn)year值變成了2022。對于上述現(xiàn)象我們不難理解，因為之前說過Python中變量是用來描述世間萬物的，世間萬物在現(xiàn)實中是可以變化的，變量當(dāng)然也可以隨之變化。

但是在某個局部范圍內(nèi)，變量可能是不會變化的，例如在2021年這一年，都只會是2021年，沒有人會說2021年是2022年。如果你有豐富的開發(fā)經(jīng)驗，會明白變量定義出來不是存放在那里給你看的，更多的是要拿來用的。也就是說如果在2021年中的某個程序需要使用year這個變量，但這個變量是不需要進(jìn)行修改的。為了防止誤操作對year這個變量進(jìn)行了修改，計算機(jī)語言便設(shè)計了常量這個概念，也就是說常量相對于變量是一個不會變化的量。

在Python中，有沒有常量呢？不嚴(yán)格的講，其實是有的，只是在定義常量的時候常量名必須的全大寫，例如，下面這個實例：

YEAR = 2021
YEAR = YEAR + 1
print(YEAR) # 輸出結(jié)果：2022

上面這個常量的實例令人大吃一驚，因為使用常量YEAR后和使用變量year的結(jié)果一致，也就是說常量YEAR遭到了更改。但是，稍微解釋你就明白了。

在Python中，雖然也和其他很多計算機(jī)語言一樣擁有常量這個概念，但更多的是約定俗成的，Python并沒有嚴(yán)格的對常量進(jìn)行控制，只是規(guī)定常量名必須全部大寫。原因很簡單：都是常量了，你為什么還要修改？

常量池引入

上面講到常量就是一個不會變化的變量，嚴(yán)格的講，在Python中是沒有常量這個概念的。但是，在Python中又有另外一種例外，那就是常量池，為了搞清楚常量池，首先我們得弄明白Python的幾個小知識，接下來一一敘說。

Python解釋器

上面提及到Python是計算機(jī)用來描述世間萬物的一種語言，由于計算機(jī)沒有人腦那么強(qiáng)大，計算機(jī)更多的只是認(rèn)識高低壓電頻，再通過對高低壓電頻的轉(zhuǎn)化進(jìn)而編碼成我們看到的一個又一個字符，也就是說計算機(jī)是無法直接認(rèn)識利用Python寫下的字符的。（此處設(shè)計計算機(jī)組成原理，不多做介紹）

也就是說，當(dāng)我們利用Python寫下一個又一個字符并且交給電腦時，需要通過編碼這個過程，而這個編碼的過程有時候也被稱為解釋。解釋的原理就相當(dāng)于從中文轉(zhuǎn)成英文，只不過此時不是需要讓英文使用者看懂中文，而是讓計算機(jī)能夠看懂Python。

中文轉(zhuǎn)成英文的時候，可能需要一個翻譯員或一個翻譯軟件，利用Python寫下的字符轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能看懂的語言同樣如此，這個轉(zhuǎn)化過程也需要一個外物的幫助——Python解釋器。

Python變量存儲機(jī)制

假設(shè)我們使用Python解釋器定義了以下一個變量：

year = 2021

當(dāng)我們通過字符定義變量時，一定會好奇這些變量被Python解釋器解釋后到底去了哪？如果對計算機(jī)的組成熟悉的同學(xué)，一定會清楚計算機(jī)的核心組件為：CPU、內(nèi)存、外存、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。也就是說，這些字符應(yīng)該存儲在這些核心組件中。在這里就不賣關(guān)子了，當(dāng)我們通過字符定義變量并對其用Python解釋器進(jìn)行解釋時，他們會以計算機(jī)能看懂的形式進(jìn)入內(nèi)存當(dāng)中。

上面講的對于很多非科班出身的朋友可能很難理解，在這里將它生動化?，F(xiàn)在假設(shè)江西師范大學(xué)相當(dāng)于電腦內(nèi)存，每當(dāng)有一批新學(xué)生進(jìn)入師大時，師大都會開辟出一個新教室給這批新同學(xué)使用，并且會給每一個教室一個獨一無二的教室牌號。由于把師大看作是內(nèi)存，這批新同學(xué)就可以看成是變量值，而教室牌號就是變量名。也就是說，對于師大這個大內(nèi)存，每定義一個變量year=2021，就會在這個大內(nèi)存中開辟一個小空間，小空間中放變量值2021，然后大內(nèi)存會給這個小空間定義一個變量名year，此時變量名year指向變量值2021。

上面說到每當(dāng)Python解釋器解釋一個變量時，會將這個變量存放到內(nèi)存中的一個小空間中，但如何知道這個小空間的具體位置呢？此處介紹Python的一個內(nèi)置函數(shù)id()，通過這個函數(shù)可以獲取某一個變量所在的內(nèi)存地址，例如下面這個實例：

year = 2021
print(id(year)) # 輸出4499932432

Python垃圾回收機(jī)制

對于上述師大的例子，此處再做延伸。由于那一批學(xué)生所在班級新轉(zhuǎn)來了幾位同學(xué)，需要那一批學(xué)生更換更大一點教室，也就是給他們一個新的教室。那么學(xué)校應(yīng)該會這樣處理，首先開辟一個新的教室，然后拿下那一批學(xué)生原有教室的教室牌號更換到這個新教室，最后會清空原有教室。

在Python中，也是如此，如果到了新的一年，我們會重新定義一個year變量，也就是year=2022。如果這是在同一個程序中如此做，Python會沿用上述更換教室的方法，它首先會解除year和2021的連接，開辟一個新內(nèi)存存放變量值2022，讓year與2022連接。此時，會發(fā)現(xiàn)2021這個變量值只有變量值而沒有變量名，因此這個沒有變量名的變量值會變成Python眼中的一個垃圾變量，從而觸發(fā)Python垃圾回收機(jī)制，對這個2021所在的內(nèi)存空間進(jìn)行回收。

為了更好地理解Python垃圾回收機(jī)制，可以看下面這個例子：

year = 2021
print(id(year)) # 輸出4499932720
print(year) # 輸出2021

year = 2022
print(id(year)) # 輸出4499932560
print(year) # 輸出2022

通過上述例子，可以看到當(dāng)新定義了一個year變量時，year會與新的變量進(jìn)行一個連接。當(dāng)然，此處所說的垃圾回收機(jī)制只是為了引入引用計數(shù)這個概念，并不是完全正確的解釋，并且上述實例還無法證明變量值2021所在內(nèi)存是否被回收，下面將通過引用計數(shù)的實例會進(jìn)一步說明并重新解釋垃圾回收機(jī)制。

引用計數(shù)

上面講到如果某個變量值綁定著變量名，就是一個正常的變量，如果該變量值沒有綁定著門牌號，這個變量就是一個垃圾變量，對于垃圾變量，Python會觸發(fā)垃圾回收機(jī)制回收這個變量所占有的內(nèi)存。進(jìn)而可以想到，Python中一個變量名一定只能對應(yīng)一個變量值。

在這里我們就不能沿用師大這個例子了，而得引出一個新的名詞——引用計數(shù)。

為了解釋引用計數(shù)，我們首先得明白在Python中，當(dāng)定義了一個變量值為2021的變量時，它可以表示年份、也可以表示山的高度…也就是說一個變量名只能對應(yīng)一個變量值，但是一個變量值可以對應(yīng)不同的變量名，這種設(shè)計也是比較合理的。

現(xiàn)在我們引出引用計數(shù)這個概念，當(dāng)相同的變量值被賦予不同的變量名時，變量值每增加一個變量名的賦予，則該變量值的引用計數(shù)加1。由于我們可以通過Python內(nèi)置sys模塊中的getrefcount()函數(shù)獲取某一個變量的引用計數(shù)（getrefcount輸出值默認(rèn)從3開始），可以通過下面這個例子感受下：

import sys

# 引用計數(shù)初始值為3
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為3

year = 2021
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為4

height = 2021
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為5

del year
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為4

從上述代碼可以看出變量值2021的引用計數(shù)由于每一次賦予新的變量名，引用計數(shù)都會增加，而當(dāng)我們利用del關(guān)鍵字刪除變量值2021的一個變量名year時，引用計數(shù)則會減少。

為了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)引用計數(shù)，此處不得不再次深入，引用計數(shù)字面意思可以理解為引用的次數(shù)，也就是說上面的例子其實并不嚴(yán)謹(jǐn)，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹v，只有當(dāng)一個變量值每一次被直接或間接引用時，引用計數(shù)才會增加，在Python中讓引用計數(shù)增加共有三種方法：

1. 變量被創(chuàng)建，變量值引用計數(shù)加1
2. 變量被引用，變量值引用計數(shù)加1
3. 變量作為參數(shù)傳入到一個函數(shù)，變量值引用計數(shù)加2
   

具體看下述實例：

import sys

# 引用計數(shù)初始值為3
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為3

# 變量被創(chuàng)建，變量值引用計數(shù)加1
year = 2021
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為4

# 變量被引用，變量值引用計數(shù)加1
height = year
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為5

# 變量作為參數(shù)傳入到一個函數(shù)，變量值引用計數(shù)加2
def func(year):
  print(sys.getrefcount(year)) 

func(year) # 輸出為7

Python中既然有增加引用計數(shù)的方法， 也當(dāng)然會減少引用計數(shù)的方法，共有以下4種：

1. 變量值對應(yīng)的變量名被銷毀
2. 變量值對應(yīng)的變量名被賦予新的值
3. 變量值對應(yīng)的變量名離開它的作用域
4. 變量值對應(yīng)的變量名的容器被銷毀
   

重看Python垃圾回收機(jī)制

有了getrefcount()方法并通過引用計數(shù)，我們就可以解開垃圾回收機(jī)制遺留的一個問題——如何判斷是否觸發(fā)了垃圾回收機(jī)制。每當(dāng)一個變量定義，他的getrefcount輸出值為3，而如果該變量值被垃圾回收機(jī)制回收，則它的getrefcount輸出值回到3，可以通過下面實例驗證上述猜想：

import sys

print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為3

year = 2021
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為4
print(id(year)) # 輸出4499932720
print(year) # 輸出2021

year = 2022
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為3
print(id(year)) # 輸出4499932560
print(year) # 輸出2022

通過上述實例，可以發(fā)現(xiàn)由于變量值2021對應(yīng)的變量名被新的變量值2022引用，它的getrefcount輸出值為3，引用計數(shù)變成了0，因此可以證明Python觸發(fā)了垃圾回收機(jī)制。

如果對上述驗證Python觸發(fā)垃圾回收機(jī)制的實例深入挖掘，會發(fā)現(xiàn)當(dāng)把year賦給變量值2022時，變量值的2021的引用計數(shù)為0，此時觸發(fā)了Python的垃圾回收機(jī)制，那么是否可以表明只有當(dāng)變量值2021的引用計數(shù)為0時才能觸發(fā)垃圾回收機(jī)制呢？而不是上一次說的當(dāng)變量值的變量名被新的變量值被引用了才會銷毀呢？因為變量值可以對應(yīng)多個變量名，下面通過下述實例驗證：

import sys

print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為3

year = 2021
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為4

height = 2021
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為5

year = 2022
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為4

del height
print(sys.getrefcount(2021)) # 輸出為3

通過上述實例，可以發(fā)現(xiàn)由于定義一個變量后，該變量對應(yīng)的變量值引用計數(shù)可以不斷增加，而只要引用計數(shù)不為0，那么Python就一直還在內(nèi)存中保留著這個變量值并且對其引用，只有當(dāng)該變量的引用計數(shù)為0時，Python才會觸發(fā)垃圾回收機(jī)制對該變量值進(jìn)行回收，這才是比較正確的垃圾回收機(jī)制。當(dāng)然，如果深入，Python的回收機(jī)制還有分代回收，此處不做延展，了解上述這些就足矣了解接下來講的小整數(shù)池。

常量池

在上述各個知識的打通之后，現(xiàn)在可以正式引入常量池這個概念。上面講到在Python中嚴(yán)格的講是沒有常量這個概念的，即使你通過約定俗成的方法定義了一個常量，但這個常量也只是一個變量，也就是說只要你對這個常量做出修改，這個常量原有對應(yīng)的常量值引用計數(shù)就會變成0，由于常量等同于變量，它一樣會被Python垃圾回收機(jī)制回收。

但是在Python中，存在著一些例外，這些例外就是一個小整數(shù)池，顧名思義，小整數(shù)池表示的是從-5到256范圍內(nèi)的整數(shù)，這些整數(shù)定義出來后就是一個常量，也就是說他們的引用計數(shù)即使為0，也不會被Python的垃圾回收機(jī)制回收，可以通過下述實例驗證：

import sys

first_l = [] # 定義列表l存儲[-5,256]中的所有整數(shù)的引用計數(shù)
add_l = [] # 定義列表add_l存儲[-5,256]中的所有整數(shù)的引用計數(shù)加1后的引用計數(shù)
del_l = [] # 定義列表del_l存儲[-5,256]中的所有整數(shù)的引用計數(shù)減1后的引用計數(shù)

for i in range(-5, 256):
  first_l.append(sys.getrefcount(i))
  add = i
  add_l.append(sys.getrefcount(i))
  del add
  del_l.append(sys.getrefcount(i))

first_l.sort()
add_l.sort()
del_l.sort()

print(f'min(first_l): {min(first_l)}') # 獲取[-5,256]中所有整數(shù)的最小引用計數(shù)，輸出為4
print(f'min(add_l): {min(add_l)}') # 獲取[-5,256]中所有整數(shù)的最小引用計數(shù)，輸出為5
print(f'min(del_l): {min(del_l)}') # 獲取[-5,256]中所有整數(shù)的最小引用計數(shù)，輸出為4

從上述實例可以看出，[-5,256]中的整數(shù)的getrefcount默認(rèn)初始值為4，也就是說即使沒有對這些整數(shù)進(jìn)行初始化的創(chuàng)建，Python早已對他們進(jìn)行了引用，即使他們的引用計數(shù)為0，他們也不會也不可能被刪除，因為他們從Python解釋器啟動開始就已經(jīng)被生成。

當(dāng)然，也可以通過垃圾回收機(jī)制判斷小整數(shù)池中的整數(shù)是否會被垃圾回收機(jī)制回收，可用如下實例證明（由于Pycharm等解釋器會一次性編譯整個文件，固使用終端編輯代碼）：

>>> a = 5
>>> id(a)
4529334480
>>> del a
>>> b = 5
>>> id(b)
4529334480
>>>
>>> a = 257
>>> id(a)
4533920752
>>> del a
>>> b = 257 # 消除分代回收對結(jié)果的影響
>>> del b
>>> b = 257
>>> id(b)
4531031792
>>>

從上述實例中可以看出，變量值5即使被垃圾回收機(jī)制回收后，再次創(chuàng)建變量值為5的變量，該變量的內(nèi)存地址始終無變化，即該變量未被垃圾回收機(jī)制回收，小整數(shù)池中的其他整數(shù)同理；而變量值257卻已經(jīng)被垃圾回收機(jī)制回收，非小整數(shù)池中的其他變量同理。

當(dāng)然，還可以通過下述方法查看這些小整數(shù)池的整數(shù)的內(nèi)存地址的變化，如下：

a = 256
b = int("256")
print(id(a), id(b)) # 4544968752 4544968752

a = 257
b = int("257")
print(id(a), id(b)) # 4548719792 4546289360

a = -5
b = int("-5")
print(id(a), id(b)) # 4544960400 4544960400

a = -6
b = int("-6")
print(id(a), id(b)) # 4690036912 4546289360

對于上述實例，在Python中，由于每生成一個變量便會開辟一個新的內(nèi)存空間給該變量，但是上述實例表明當(dāng)變量值為-5和256時，每次開辟的內(nèi)存空間地址都是一樣的；而當(dāng)變量值不屬于[-5,256]時，每次定義變量值時，內(nèi)存空間的地址都是不一樣的。

總結(jié)

在Python中，變量是用來描述世間萬物的，變量顧名思義是變化的一個量，而在某一個局部范圍內(nèi)，有些量可能是不會變化的，因此語言設(shè)計者在計算機(jī)中定義了常量這個概念，但是在Python中并沒有規(guī)定的常量，只有約定俗稱的常量，也就是變量名全大寫的則是常量。但是Python中有一個另外，也就是小整數(shù)池[-5,256]，在這個小整數(shù)池中的整數(shù)對于Python來說就是一個常量，因為從引用計數(shù)的打印中可以看出它在Python解釋器啟動的時候就已經(jīng)生成并占用了一個固定的內(nèi)存空間，并且不會因為引用計數(shù)變?yōu)?之后就會被Python的垃圾回收機(jī)制回收，而這些小整數(shù)池也可以稱作Python的常量池。

以上就是詳解Python垃圾回收機(jī)制和常量池的驗證的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python垃圾回收機(jī)制和常量池的驗證的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！