面试题：Python垃圾回收机制中的标记 - 清除算法如何处理循环引用

Question

在Python中，当存在对象间的循环引用时，引用计数无法解决内存回收问题，此时标记 - 清除算法发挥作用。请深入分析标记 - 清除算法处理循环引用的具体流程，包括标记阶段和清除阶段的详细操作，以及在Python源码层面是如何实现的。

Answer 1

标记 - 清除算法处理循环引用流程

标记阶段

1. 根对象集合确定：Python将一些全局变量、栈上的变量等作为根对象集合。这些根对象是程序可以直接访问到的对象。例如，模块级别的全局变量，函数调用栈中的局部变量等。
2. 遍历与标记：从根对象集合出发，通过对象之间的引用关系进行深度优先搜索（DFS）或广度优先搜索（BFS）。当访问到一个对象时，如果该对象尚未被标记，就为其打上标记。这意味着该对象是可达的，即从程序可访问的根对象出发能够到达该对象。例如，假设存在一个对象A，它引用了对象B，当从根对象遍历到A时，标记A，接着通过A对B的引用，标记B。

清除阶段

1. 未标记对象识别：在标记阶段完成后，所有未被标记的对象被认为是不可达的。这些对象由于没有从根对象出发的引用路径，意味着程序无法再访问到它们。
2. 内存回收：Python垃圾回收器会回收这些未标记对象所占用的内存空间，将其归还给操作系统或内存池，以便重新分配使用。

Python源码层面实现

1. 数据结构：在Python源码中，gcmodule.c文件实现了垃圾回收机制。使用gc_generation结构体来管理不同代的垃圾回收。每个对象在Python内部有一个PyObject结构体，其中包含引用计数等信息，同时还可能包含与垃圾回收相关的标记位等。
2. 标记实现：标记过程通过_PyObject_GC_Track和_PyObject_GC_UnTrack等函数来跟踪对象的可达性。在标记阶段，会遍历根对象集合，调用_PyObject_GC_Track标记可达对象。例如，在遍历对象的引用关系时，遇到新的对象就调用_PyObject_GC_Track标记它。
3. 清除实现：清除阶段在gc_collect函数中完成。该函数会遍历所有对象，检查对象的标记位。对于未标记的对象，调用_PyObject_GC_Del等函数来释放对象占用的内存，从而完成垃圾回收。