حياة القيم وموتها

refcounting, generational GC, arena allocator — الذاكرة لا تعود للنظام

def leak():
    for _ in range(10**6):
        x = [i for i in range(100)]

leak()

import gc

class WithDel:
    def __del__(self):
        print("dying")

a = WithDel()
b = WithDel()
a.ref = b
b.ref = a
del a
del b
# لماذا لا يطبع "dying" هنا؟
gc.collect()
# والآن؟

Reference Counting — كيف يعمل

كل PyObject يبدأ بـ ob_refcnt. Py_INCREF(op) يزيده، Py_DECREF(op) ينقصه. عندما يصل إلى 0، يُستدعى tp_dealloc الذي يحرّر الذاكرة. هذا فوري. لكن مشكلة cycles: A يشير لـ B و B يشير لـ A، refcount كل منهما = 1. لن يصل أبداً إلى 0.

Generational GC

افتح cpython/Modules/gcmodule.c. الـ GC يحتفظ بـ 3 generations (0, 1, 2). كل object يُنشأ يبدأ في generation 0. لو بقي حياً بعد فحص GC، يُنقل إلى generation 1، ثم 2. متى يعمل GC؟ بايثون تتتبّع عدد الـ allocations والـ deallocations. عندما allocations - deallocations > threshold لجيل معين، يشتغل GC لذلك الجيل. يستخدم mark-sweep: 1. Mark: ابدأ من roots (globals, stack frames, etc) وتتبّع كل reachable objects. 2. Sweep: كل object غير marked يُحرَّر.

__del__ والـ cycles — المشكلة

عندما يكتشف GC cycle من unreachable objects ويجد أن أحدها عنده __del__، لا يعرف كيف يقرر ترتيب الاستدعاء. القرار التصميمي: ضع هذه objects في gc.garbage ولا تحرّرها.

Allocator Hierarchy — لمَ لا تعود الذاكرة للنظام

بايثون لا تطلب الذاكرة من النظام لكل object. عندها هرم allocators: PyMem_RawAllocator → PyMem_Allocator → PyObject_Allocator → Arena Allocator (blocks of 256KB). الـ arena allocator يطلب 256KB من النظام. يوزّع منها blocks صغيرة لـ objects. عندما تُحرَّر objects، الـ blocks تُعاد إلى الـ arena، لكن الـ arena لا تُعاد للنظام. هذا يفسر: بايثون لا تعيد الذاكرة للنظام بعد تحرير objects.

Interning و Small Object Caches

بايثون تخزّن objects شائعة reuse: Small ints (-5 to 256) في longobject.c، String interning في unicodeobject.c، Tuple freelist (صغيرة لا تُحرّر)، List freelist، Async task freelist.

def find_cycles(root):
    # تعيد list من cycles في الـ object graph المتصل بـ root
    # كل cycle عبارة عن tuple من objects تشكل حلقة
    # اطبع الـ id لكل object وعلاقاته
    # استخدم gc.get_referents(obj) فقط
    # نفّذ algorithm: تتبّع الـ object graph يدوياً واكتشف strongly connected components
    pass