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内存模型

问题​

Python 对象在内存中是如何布局的？小整数池和字符串驻留是怎么回事？Python 的内存分配器是怎样的？

答案​

对象内存布局​

每个 Python 对象至少包含：

┌────────────────────┐
│  ob_refcnt (8B)    │  引用计数
├────────────────────┤
│  ob_type (8B)      │  类型指针 → type 对象
├────────────────────┤
│  对象数据...        │  具体类型的数据
└────────────────────┘
import sys

# 空对象的基本大小
print(sys.getsizeof(object()))    # 16 bytes（refcnt + type）
print(sys.getsizeof(1))          # 28 bytes
print(sys.getsizeof(""))         # 49 bytes
print(sys.getsizeof([]))         # 56 bytes
print(sys.getsizeof({}))         # 64 bytes

内存分配器层次​

  • Block：固定大小的内存块（8 的倍数，8~512 bytes）
  • Pool：4KB，包含相同大小的 Block
  • Arena：256KB，包含多个 Pool

小对象（≤ 512 bytes）由 pymalloc 管理，大对象直接用系统 malloc。

小整数池与字符串驻留​

# 小整数池：CPython 缓存 [-5, 256]
a = 256
b = 256
print(a is b)  # True

a = 257
b = 257
print(a is b)  # False（交互模式下；脚本中可能被编译器优化为 True）

# 字符串驻留：标识符类字符串自动驻留
a = "hello"
b = "hello"
print(a is b)  # True

a = "hello world"  # 含空格
b = "hello world"
print(a is b)  # False（不自动驻留）

# 手动驻留
import sys
a = sys.intern("hello world")
b = sys.intern("hello world")
print(a is b)  # True

常见面试问题​

Q1: 为什么 Python 的 int 比 C 的 int 大这么多？​

答案：

Python 的 int 是对象，包含引用计数（8B）、类型指针（8B）、值长度（8B）和实际数值（至少 4B），所以最小 28 bytes。而 C 的 int 只有 4 bytes。这是动态类型语言的代价。

Q2: 如何测量 Python 对象的内存占用？​

答案：

import sys

# 浅层大小（不含引用的对象）
sys.getsizeof([1, 2, 3])      # 88 bytes（列表本身）

# 深层大小需要递归计算
def deep_getsizeof(obj, seen=None):
    if seen is None:
        seen = set()
    obj_id = id(obj)
    if obj_id in seen:
        return 0
    seen.add(obj_id)
    size = sys.getsizeof(obj)
    if isinstance(obj, dict):
        size += sum(deep_getsizeof(k, seen) + deep_getsizeof(v, seen) for k, v in obj.items())
    elif isinstance(obj, (list, tuple, set)):
        size += sum(deep_getsizeof(i, seen) for i in obj)
    return size

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