面试题：Python垃圾回收机制中标记清除算法的原理及应用场景

Question

请阐述Python垃圾回收机制里标记清除算法是如何工作的，在哪些实际编程场景下，这种算法能够有效避免内存泄漏问题？

Answer 1

标记清除算法工作原理

1. 标记阶段：
   • Python 会在堆内存中维护一个双向链表，用于管理所有对象。垃圾回收器从根对象集合（如全局变量、栈上的变量等）出发，通过引用关系遍历整个对象图。
   • 对于每一个可达的对象（即从根对象通过引用链能够访问到的对象），垃圾回收器会为其设置一个标记位，标记该对象为存活对象。
2. 清除阶段：
   • 标记完成后，垃圾回收器再次遍历堆内存中的所有对象。
   • 对于那些没有被标记（即标记位未设置）的对象，垃圾回收器认为这些对象是不可达的，也就是垃圾对象，会将这些对象所占用的内存空间回收，并将其从对象链表中移除。

有效避免内存泄漏场景

1. 循环引用场景：
   • 当两个或多个对象相互引用，形成循环引用时，如果没有标记清除算法，这些对象即使在程序逻辑上不再被需要，也无法被正常回收，从而导致内存泄漏。
   • 例如，在Python中，如下代码：

class A:
    def __init__(self):
        self.b = None


class B:
    def __init__(self):
        self.a = None


a = A()
b = B()
a.b = b
b.a = a
a = None
b = None

• 这里a和b对象相互引用，在将a和b赋值为None后，这两个对象已经没有外部引用，但由于循环引用，如果没有标记清除算法，它们不会被回收。标记清除算法通过从根对象出发标记可达对象，这两个相互引用但从根不可达的对象不会被标记，最终会在清除阶段被回收，有效避免了这种因循环引用导致的内存泄漏。

2. 复杂数据结构内部引用场景：
   • 在一些复杂的数据结构，如嵌套的列表、字典或自定义的复杂类结构中，内部对象之间可能存在复杂的引用关系。
   • 例如，一个多层嵌套的字典结构，当外部对这个字典的引用被删除后，字典内部对象之间的引用可能使得这些对象无法被正常回收。标记清除算法能够从根对象遍历到这些复杂结构内部的对象，正确标记存活对象，回收不可达对象，避免内存泄漏。