Python - 元组和内存管理

Question

在回答与Python相关的问题时，我做了一些实验，发现了一个我无法弄清楚的与元组相关的事情：我很难理解为什么空元组比其中包含单个元素的元组占用更多空间（根据sys.getsizeof()） 。下面的代码是在 64 位 Debian Jessie 系统上使用 Python 2.7.9 的上游版本执行的（也使用 Python 3.4.2 进行了测试，其中值略有不同，但我正在讨论的整体行为仍然存在）：

>> sys.getsizeof(())
56
>> sys.getsizeof((1))
24
>> sys.getsizeof((1,2))
72

正如您所看到的，空元组与单项元组之间存在很大差异（更准确地说是 2.3 倍）。你知道这里发生了什么吗？由于元组是递归数据结构，我假设sys.getsizeof()返回的值是元组对象本身占用的内存量加上对其包含的对象的引用（如果元组将元素存储为引用而不是值 - 我不知道）。我最初的想法是，像字典一样，元组是在内存中创建的，具有一定的默认大小，可以容纳几个元素。我忘记了空字典保留内存的确切元素数量，但这就是我的一个小例子的意思：

>> sys.getsizeof({})
280
>> sys.getsizeof({"a":0})
280
>> sys.getsizeof({"a":0, "b":1})
280

然而，查看元组似乎并没有表现出相同的行为，因为元组在第一个元素添加到较小的尺寸后会收缩，然后随着添加到其中的每个元素而增长（如预期）。除此之外，列表似乎没有遭受相同的行为：

>> sys.getsizeof([])
72
>> sys.getsizeof([1])
80
>> sys.getsizeof([1,2])
88

空列表在内存方面比具有 1 个或多个元素的列表小 - 完全正常。

我的第二个想法是，单元素元组以某种方式转换为它包含的单个对象，并且所有内容都以某种方式包装，以便看起来它实际上是一个列表（这就是len()工作的原因）。例子：

>> sys.getsizeof((1))
24
>> sys.getsizeof(1)
24

这似乎是可能的，但我不相信它真的发生了。

Answer 1

代码(1)不是元组！Python只会将括号视为表达操作优先级的一种方式。如果您想要一个元组，则其中必须至少有一个逗号。

>>> type(1)
<type 'int'>
>>> type((1))
<type 'int'>
>>> type((1,))
<type 'tuple'>

那么元组的大小将是其中元素数量的线性函数。

>>> sys.getsizeof(tuple())
28
>>> sys.getsizeof((1,))
32
>>> sys.getsizeof((1,2))
36
>>> sys.getsizeof((1,2,3))
40

Answer 2

您没有创建单项元组。任何表达式都可以用括号括起来，而不会改变其含义，因此(1)与 相同1。要创建单个元素元组，请编写(1,). 当你这样做时，内存消耗应该变得更加合理。

但整数怎么可能需要 24 个字节呢？整数通常最多不是8个字节吗？

在Python 3中，所有整数都是任意精度的，甚至在Python 2中，包括整数在内的所有对象对于引用计数、类型信息和其他元数据都有一定的开销。对于一个成熟的 Python 对象来说，24 个字节实际上是相当合理的。

（从技术上讲，小整数是被保留的，因此在这种特殊情况下引用计数可以说是不必要的，但删除它会使解释器的其他部分变得复杂，而不会带来任何显着的好处。）

在回答的同时，我还想澄清一些事情：

（如果元组将元素存储为引用而不是值 - 我不知道）

一般来说，Python 不允许 Python 对象实际上相互包含。在C源代码中，你会看到很多PyObject*变量，但没有PyObject变量。Python 对象存在于堆上，彼此完全独立。换句话说，是的，元组存储的是引用，而不是实际的对象。

我最初的想法是，就像字典一样，元组是在内存中创建的，具有一定的默认大小，可以容纳几个元素。

没有理由这样做。元组有固定的大小。按照官方说法，它们是不可变的，创建后不会改变。非官方地，它们可以在 C 级别进行更改，但这些更改不应该对 Python 代码可见；在创建元组之后但在将其用于任何用途之前，您可以对其进行一次修改，此后就不再修改它。此外，这些改变实际上并没有改变大小，它们只是填充已经存在的数组槽。

由于这种不变性，元组没有理由存储比实际拥有的更多的元素。它们不需要支持快速追加或其他大小更改操作。