MicroPython核心：内存管理

与C/C++等编程语言不同，MicroPython通过自动内存管理向开发人员隐藏了内存管理细节。自动内存管理是操作系统或应用程序用于自动管理内存分配和删除的一种技术。自动内存管理避免了忘记释放内存和使用已释放内存的关键问题。自动内存管理有多种形式，垃圾回收（GC）就是其中之一。

垃圾回收器通常有两个职责；

• 在可用内存中分配新对象。
• 释放未使用的内存。

有很多垃圾回收（GC）算法，MicroPython使用标记和清扫策略来管理内存。该算法的标记阶段遍历堆，标记所有实时对象，而清扫阶段则遍历堆，回收所有未标记的对象。

MicroPython 中的垃圾回收功能可通过gc内置模块实现：

>>> x = 5
>>> x
5
>>> import gc
>>> gc.enable()
>>> gc.mem_alloc()
1312
>>> gc.mem_free()
2071392
>>> gc.collect()
19
>>> gc.disable()
>>>

即使调用了 gc.disable()，也可以通过 gc.collect() 触发收集。

对象模型

所有MicroPython对象都使用mp_obj_t数据类型，该数据类型通常为字大小（即与目标架构上的指针大小相同），通常为 32 位（STM32、nRF、ESP32、Unix x86）或 64 位（Unix x64）。对于某些对象表示法，它也可以大于一个字的大小，例如OBJ_REPR_D在32位架构上有一个64位大小的mp_obj_t。

mp_obj_t表示MicroPython对象，例如整数、浮点数、类型、dict 或类实例。有些对象（如布尔值和小整数）的值直接存储在mp_obj_t值中，不需要额外的内存，其他对象的值则存储在内存的其他地方（例如已垃圾回收的堆），它们的mp_obj_t包含一个指向该内存的指针。mp_obj_t中的一部分是标签，用于显示对象的类型。

有关可用表示法的具体细节，可参见 py/mpconfig.h。

指针标记

由于指针是字对齐的，因此当指针存储在mp_obj_t中时，该对象句柄的低位将为零。例如，在32位架构中，低2位将为零：

********|********|********|******00

这些比特是为存储标签而保留的，标签存储额外的信息，而不是在对象中引入一个新字段来存储这些信息，因为这样可能降低效率。在MicroPython中，标签可表示是在处理一个短整数、内部（短）字符串还是一个具体对象，而不同的语义对应其中的一种。

对于短整数，映射如下：

********|********|********|*******1

其中星号表示实际的整数值。对于内部字符串或直接对象（如 True），mp_obj_t值的布局分别为：

********|********|********|*****010

********|********|********|*****110

而一个不属于上述任何一种情况的具体对象的形式是

********|********|********|******00

这里的星星对应内存中具体对象的地址。

对象分配

短整数的值直接存储在mp_obj_t中，并就地分配，而不是在堆或其他地方分配。因此，创建短整数不会影响堆。类似地，内部字符串（其文本数据已存储在其他地方）和立即值（如 None、False 和 True）也是如此。

其他所有具体对象都是在堆上分配的，其对象结构是这样的：在对象头中保留一个字段来存储对象的类型。

+++++++++++
+         +
+ type    + 对象头
+         +
+++++++++++
+         + 对象元素
+         +
+         +
+++++++++++

堆的最小分配单位是块，大小为四个机器字（32 位机器为 16 字节，64 位机器为 32 字节）。堆上还分配有另一种结构，用于跟踪每个块中对象的分配情况。这种结构称为位图。

)

位图跟踪块是 "空闲 "还是 “使用中”，并使用两个位来跟踪每个块的状态。

标记-清扫垃圾回收器会管理堆上分配的对象，并利用位图标记仍在使用中的对象。有关这些细节的完整实现参见py/gc.c。

分配：堆布局

堆的排列方式是由堆中的块组成，一个数据块可以有不同的属性：

• ATB（Allocation table byte 分配表字节）：如果设置了，则该数据块为普通数据块
• FREE：释放的块
• HEAD： 块链的首部
• 尾： 块链的尾部
• MARK：带标记的头部块
• FTB（终结符表字节）：如果设置，表示块有终结符