メモリ管理
**********


概要
====

Python におけるメモリ管理には、全ての Python オブジェクトとデータ構造
が入ったプライベートヒープ (private heap) が必須です。プライベートヒー
プの管理は、内部的には *Python メモリマネージャ (Python memory
manager)* が確実に行います。Python メモリマネージャには、共有
(sharing)、セグメント分割 (segmentation)、事前割り当て (preallocation)
、キャッシュ化 (caching) といった、様々な動的記憶管理の側面を扱うため
に、個別のコンポーネントがあります。

最低水準層では、素のメモリ操作関数 (raw memory allocator) がオペレーテ
ィングシステムのメモリ管理機構とやりとりして、プライベートヒープ内に
Python 関連の全てのデータを記憶するのに十分な空きがあるかどうか確認し
ます。素のメモリ操作関数の上には、いくつかのオブジェクト固有のメモリ操
作関数があります。これらは同じヒープを操作し、各オブジェクト型固有の事
情に合ったメモリ管理ポリシを実装しています。例えば、整数オブジェクトは
文字列やタプル、辞書とは違ったやり方でヒープ内で管理されます。というの
も、整数には値を記憶する上で特別な要件があり、速度/容量のトレードオフ
が存在するからです。このように、Python メモリマネジャは作業のいくつか
をオブジェクト固有のメモリ操作関数に委譲しますが、これらの関数がプライ
ベートヒープからはみ出してメモリ管理を行わないようにしています。

重要なのは、たとえユーザがいつもヒープ内のメモリブロックを指すようなオ
ブジェクトポインタを操作しているとしても、Python 用ヒープの管理はイン
タプリタ自体が行うもので、ユーザがそれを制御する余地はないと理解するこ
とです。Python オブジェクトや内部使用されるバッファを入れるためのヒー
プ空間のメモリ確保は、必要に応じて、Python メモリマネージャがこのドキ
ュメント内で列挙しているPython/C API 関数群を介して行います。

メモリ管理の崩壊を避けるため、拡張モジュールの作者は決して Python  オ
ブジェクトを C ライブラリが公開している関数: "malloc()" 、 "calloc()"
、 "realloc()" および "free()" で操作しようとしてはなりません。こうし
た関数を使うと、C のメモリ操作関数と Python メモリマネージャとの間で関
数呼び出しが交錯します。 C のメモリ操作関数とPython メモリマネージャは
異なるアルゴリズムで実装されていて、異なるヒープを操作するため、呼び出
しの交錯は致命的な結果を招きます。とはいえ、個別の目的のためなら、 C
ライブラリのメモリ操作関数を使って安全にメモリを確保したり解放したりで
きます。例えば、以下がそのような例です:

   PyObject *res;
   char *buf = (char *) malloc(BUFSIZ); /* for I/O */

   if (buf == NULL)
       return PyErr_NoMemory();
   ...Do some I/O operation involving buf...
   res = PyBytes_FromString(buf);
   free(buf); /* malloc'ed */
   return res;

この例では、I/O バッファに対するメモリ要求は C ライブラリのメモリ操作
関数を使っています。Python メモリマネージャーは戻り値として返される
bytes オブジェクトを確保する時にだけ必要です。

とはいえ、ほとんどの状況では、メモリの操作は Python ヒープに固定して行
うよう勧めます。なぜなら、Python ヒープは Python メモリマネジャの管理
下にあるからです。例えば、インタプリタを C で書かれた新たなオブジェク
ト型で拡張する際には、ヒープでのメモリ管理が必要です。Python ヒープを
使った方がよいもう一つの理由として、拡張モジュールが必要としているメモ
リについて Python メモリマネージャに *情報を提供* してほしいということ
があります。たとえ必要なメモリが内部的かつ非常に特化した用途に対して排
他的に用いられるものだとしても、全てのメモリ操作要求を Python メモリマ
ネージャに委譲すれば、インタプリタはより正確なメモリフットプリントの全
体像を把握できます。その結果、特定の状況では、Python メモリマネージャ
がガベージコレクションやメモリのコンパクト化、その他何らかの予防措置と
いった、適切な動作をトリガできることがあります。上の例で示したように C
ライブラリのメモリ操作関数を使うと、I/O バッファ用に確保したメモリは
Python メモリマネージャの管理から完全に外れることに注意してください。

参考:

  環境変数 "PYTHONMALLOC" を使用して Python が利用するメモリアロケータ
  を制御することができます。

  環境変数 "PYTHONMALLOCSTATS" を使用して、新たなオブジェクトアリーナ
  が生成される時と、シャットダウン時に pymalloc メモリアロケータ の統
  計情報を表示できます。


Allocator Domains
=================

All allocating functions belong to one of three different "domains"
(see also "PyMemAllocatorDomain"). These domains represent different
allocation strategies and are optimized for different purposes. The
specific details on how every domain allocates memory or what internal
functions each domain calls is considered an implementation detail,
but for debugging purposes a simplified table can be found at Default
Memory Allocators. The APIs used to allocate and free a block of
memory must be from the same domain. For example, "PyMem_Free()" must
be used to free memory allocated using "PyMem_Malloc()".

The three allocation domains are:

* Raw domain: intended for allocating memory for general-purpose
  memory buffers where the allocation *must* go to the system
  allocator or where the allocator can operate without an *attached
  thread state*. The memory is requested directly from the system. See
  Raw Memory Interface.

* "Mem" domain: intended for allocating memory for Python buffers and
  general-purpose memory buffers where the allocation must be
  performed with an *attached thread state*. The memory is taken from
  the Python private heap. See Memory Interface.

* Object domain: intended for allocating memory for Python objects.
  The memory is taken from the Python private heap. See Object
  allocators.

注釈:

  The *free-threaded* build requires that only Python objects are
  allocated using the "object" domain and that all Python objects are
  allocated using that domain. This differs from the prior Python
  versions, where this was only a best practice and not a hard
  requirement.For example, buffers (non-Python objects) should be
  allocated using "PyMem_Malloc()", "PyMem_RawMalloc()", or
  "malloc()", but not "PyObject_Malloc()".See Memory Allocation APIs.


生メモリインターフェース
========================

The following function sets are wrappers to the system allocator.
These functions are thread-safe, so a *thread state* does not need to
be *attached*.

The default raw memory allocator uses the following functions:
"malloc()", "calloc()", "realloc()" and "free()"; call "malloc(1)" (or
"calloc(1, 1)") when requesting zero bytes.

Added in version 3.4.

void *PyMem_RawMalloc(size_t n)
    * 次に属します: Stable ABI (バージョン 3.13 より).*

   *n* バイトを割り当て、そのメモリを指す void* 型のポインタを返します
   。要求が失敗した場合 "NULL" を返します。

   0バイトを要求すると、 "PyMem_RawMalloc(1)" が呼ばれたときと同じよう
   に、可能なら "NULL" でないユニークなポインタを返します。確保された
   メモリーにはいかなる初期化も行われません。

void *PyMem_RawCalloc(size_t nelem, size_t elsize)
    * 次に属します: Stable ABI (バージョン 3.13 より).*

   各要素が *elsize* バイトの要素 *nelem* 個分のメモリーを確保し、その
   メモリーを指す void* 型のポインタを返します。アロケートに失敗した場
   合は "NULL" を返します。確保されたメモリー領域はゼロで初期化されま
   す。

   要素数か要素のサイズが0バイトの要求に対しては、可能なら
   "PyMem_RawCalloc(1, 1)" が呼ばれたのと同じように、ユニークな "NULL"
   でないポインタを返します。

   Added in version 3.5.

void *PyMem_RawRealloc(void *p, size_t n)
    * 次に属します: Stable ABI (バージョン 3.13 より).*

   *p* が指すメモリブロックを *n* バイトにリサイズします。古いサイズと
   新しいサイズの小さい方までの内容は変更されません。

   *p* が "NULL" の場合呼び出しは "PyMem_RawMalloc(n)" と等価です。そ
   うでなく、 *n* がゼロに等しい場合、メモリブロックはリサイズされます
   が解放されません。返されたポインタは非 "NULL" です。

   *p* が "NULL" でない限り、*p* はそれより前の "PyMem_RawMalloc()",
   "PyMem_RawRealloc()", "PyMem_RawCalloc()" の呼び出しにより返されな
   ければなりません。

   要求が失敗した場合 "PyMem_RawRealloc()" は "NULL" を返し、 *p* は前
   のメモリエリアをさす有効なポインタのままです。

void PyMem_RawFree(void *p)
    * 次に属します: Stable ABI (バージョン 3.13 より).*

   *p* が指すメモリブロックを解放します。 *p* は以前呼び出した
   "PyMem_RawMalloc()", "PyMem_RawRealloc()",  "PyMem_RawCalloc()" の
   返した値でなければなりません。それ以外の場合や "PyMem_RawFree(p)"
   を呼び出した後だった場合、未定義の動作になります。

   *p* が "NULL" の場合何もしません。


メモリインターフェース
======================

以下の関数群が利用して Python ヒープに対してメモリを確保したり解放した
り出来ます。これらの関数は ANSI C 標準に従ってモデル化されていますが、
0 バイトを要求した際の動作についても定義しています:

In the GIL-enabled build (default build) the default memory allocator
uses the pymalloc memory allocator, whereas in the *free-threaded
build*, the default is the mimalloc memory allocator instead.

警告:

  There must be an *attached thread state* when using these functions.

バージョン 3.6 で変更: デフォルトのアロケータがシステムの "malloc()"
から pymalloc になりました。

バージョン 3.13 で変更: In the *free-threaded* build, the default
allocator is now mimalloc.

void *PyMem_Malloc(size_t n)
    * 次に属します: Stable ABI.*

   *n* バイトを割り当て、そのメモリを指す void* 型のポインタを返します
   。要求が失敗した場合 "NULL" を返します。

   0バイトを要求すると、 "PyMem_Malloc(1)" が呼ばれたときと同じように
   、可能なら "NULL" でないユニークなポインタを返します。 確保されたメ
   モリーにはいかなる初期化も行われません。

void *PyMem_Calloc(size_t nelem, size_t elsize)
    * 次に属します: Stable ABI (バージョン 3.7 より).*

   各要素が *elsize* バイトの要素 *nelem* 個分のメモリーを確保し、その
   メモリーを指す void* 型のポインタを返します。アロケートに失敗した場
   合は "NULL" を返します。確保されたメモリー領域はゼロで初期化されま
   す。

   要素数か要素のサイズが0バイトの要求に対しては、可能なら
   "PyMem_Calloc(1, 1)" が呼ばれたのと同じように、ユニークな "NULL" で
   ないポインタを返します。

   Added in version 3.5.

void *PyMem_Realloc(void *p, size_t n)
    * 次に属します: Stable ABI.*

   *p* が指すメモリブロックを *n* バイトにリサイズします。古いサイズと
   新しいサイズの小さい方までの内容は変更されません。

   *p* が "NULL" の場合呼び出しは "PyMem_Malloc(n)" と等価です。そうで
   なく、 *n* がゼロに等しい場合、メモリブロックはリサイズされますが解
   放されません。返されたポインタは非 "NULL" です。

   *p* が "NULL" でない限り、*p* はそれより前の "PyMem_Malloc()",
   "PyMem_Realloc()" または "PyMem_Calloc()" の呼び出しにより返されな
   ければなりません。

   要求が失敗した場合 "PyMem_Realloc()" は "NULL" を返し、 *p* は前の
   メモリエリアをさす有効なポインタのままです。

void PyMem_Free(void *p)
    * 次に属します: Stable ABI.*

   *p* が指すメモリブロックを解放します。 *p* は以前呼び出した
   "PyMem_Malloc()"、 "PyMem_Realloc()"、または "PyMem_Calloc()" の返
   した値でなければなりません。それ以外の場合や "PyMem_Free(p)" を呼び
   出した後だった場合、未定義の動作になります。

   *p* が "NULL" の場合何もしません。

以下に挙げる型対象のマクロは利便性のために提供されているものです。
*TYPE* は任意の C の型を表します。

PyMem_New(TYPE, n)

   Same as "PyMem_Malloc()", but allocates "(n * sizeof(TYPE))" bytes
   of memory.  Returns a pointer cast to "TYPE*".  The memory will not
   have been initialized in any way.

PyMem_Resize(p, TYPE, n)

   Same as "PyMem_Realloc()", but the memory block is resized to "(n *
   sizeof(TYPE))" bytes.  Returns a pointer cast to "TYPE*". On
   return, *p* will be a pointer to the new memory area, or "NULL" in
   the event of failure.

   これは C プリプロセッサマクロです。*p* は常に再代入されます。エラー
   処理時にメモリを失うのを避けるには *p* の元の値を保存してください。

void PyMem_Del(void *p)

   "PyMem_Free()" と同じです。


非推奨のエイリアス
------------------

These are *soft deprecated* aliases to existing functions and macros.
They exist solely for backwards compatibility.

+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
| 非推奨のエイリアス                                 | Corresponding function or macro                    |
|====================================================|====================================================|
| PyMem_MALLOC(size)                                 | "PyMem_Malloc()"                                   |
+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
| PyMem_NEW(type, size)                              | "PyMem_New"                                        |
+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
| PyMem_REALLOC(ptr, size)                           | "PyMem_Realloc()"                                  |
+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
| PyMem_RESIZE(ptr, type, size)                      | "PyMem_Resize"                                     |
+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
| PyMem_FREE(ptr)                                    | "PyMem_Free()"                                     |
+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+
| PyMem_DEL(ptr)                                     | "PyMem_Free()"                                     |
+----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+

バージョン 3.4 で変更: The macros are now aliases of the corresponding
functions and macros. Previously, their behavior was the same, but
their use did not necessarily preserve binary compatibility across
Python versions.

バージョン 2.0 で非推奨.


オブジェクトアロケータ
======================

以下の関数群が利用して Python ヒープに対してメモリを確保したり解放した
り出来ます。これらの関数は ANSI C 標準に従ってモデル化されていますが、
0 バイトを要求した際の動作についても定義しています:

注釈:

  There is no guarantee that the memory returned by these allocators
  can be successfully cast to a Python object when intercepting the
  allocating functions in this domain by the methods described in the
  Customize Memory Allocators section.

The default object allocator uses the pymalloc memory allocator.  In
the *free-threaded* build, the default is the mimalloc memory
allocator instead.

警告:

  There must be an *attached thread state* when using these functions.

void *PyObject_Malloc(size_t n)
    * 次に属します: Stable ABI.*

   *n* バイトを割り当て、そのメモリを指す void* 型のポインタを返します
   。要求が失敗した場合 "NULL" を返します。

   0バイトを要求すると、 "PyObject_Malloc(1)" が呼ばれたときと同じよう
   に、可能なら "NULL" でないユニークなポインタを返します。 確保された
   メモリーにはいかなる初期化も行われません。

void *PyObject_Calloc(size_t nelem, size_t elsize)
    * 次に属します: Stable ABI (バージョン 3.7 より).*

   各要素が *elsize* バイトの要素 *nelem* 個分のメモリーを確保し、その
   メモリーを指す void* 型のポインタを返します。アロケートに失敗した場
   合は "NULL" を返します。確保されたメモリー領域はゼロで初期化されま
   す。

   要素数か要素のサイズが0バイトの要求に対しては、可能なら
   "PyObject_Calloc(1, 1)" が呼ばれたのと同じように、ユニークな "NULL"
   でないポインタを返します。

   Added in version 3.5.

void *PyObject_Realloc(void *p, size_t n)
    * 次に属します: Stable ABI.*

   *p* が指すメモリブロックを *n* バイトにリサイズします。古いサイズと
   新しいサイズの小さい方までの内容は変更されません。

   *p* が "NULL" の場合呼び出しは "PyObject_Malloc(n)" と等価です。そ
   うでなく、 *n* がゼロに等しい場合、メモリブロックはリサイズされます
   が解放されません。返されたポインタは非 "NULL" です。

   *p* が "NULL" でない限り、*p* はそれより前の "PyObject_Malloc()",
   "PyObject_Realloc()" または "PyObject_Calloc()" の呼び出しにより返
   されなければなりません。

   要求が失敗した場合 "PyObject_Realloc()" は "NULL" を返し、 *p* は前
   のメモリエリアをさす有効なポインタのままです。

void PyObject_Free(void *p)
    * 次に属します: Stable ABI.*

   *p* が指すメモリブロックを解放します。 *p* は以前呼び出した
   "PyObject_Malloc()"、 "PyObject_Realloc()"、または
   "PyObject_Calloc()" の返した値でなければなりません。それ以外の場合
   や "PyObject_Free(p)" を呼び出した後だった場合、未定義の動作になり
   ます。

   *p* が "NULL" の場合何もしません。

   Do not call this directly to free an object's memory; call the
   type's "tp_free" slot instead.

   Do not use this for memory allocated by "PyObject_GC_New" or
   "PyObject_GC_NewVar"; use "PyObject_GC_Del()" instead.

   参考:

     * "PyObject_GC_Del()" is the equivalent of this function for
       memory allocated by types that support garbage collection.

     * "PyObject_Malloc()"

     * "PyObject_Realloc()"

     * "PyObject_Calloc()"

     * "PyObject_New"

     * "PyObject_NewVar"

     * "PyType_GenericAlloc()"

     * "tp_free"


Default Memory Allocators
=========================

Default memory allocators:

+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+
| Configuration                       | 名前                    | PyMem_RawMalloc      | PyMem_Malloc           | PyObject_Malloc        |
|=====================================|=========================|======================|========================|========================|
| リリースビルド                      | ""pymalloc""            | "malloc"             | "pymalloc"             | "pymalloc"             |
+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+
| デバッグビルド                      | ""pymalloc_debug""      | "malloc" + debug     | "pymalloc" + debug     | "pymalloc" + debug     |
+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+
| pymalloc 無しのリリースビルド       | ""malloc""              | "malloc"             | "malloc"               | "malloc"               |
+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+
| pymalloc 無しのデバッグビルド       | ""malloc_debug""        | "malloc" + debug     | "malloc" + debug       | "malloc" + debug       |
+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+
| Free-threaded build                 | ""mimalloc""            | "mimalloc"           | "mimalloc"             | "mimalloc"             |
+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+
| Free-threaded debug build           | ""mimalloc_debug""      | "mimalloc" + debug   | "mimalloc" + debug     | "mimalloc" + debug     |
+-------------------------------------+-------------------------+----------------------+------------------------+------------------------+

説明:

* Name: value for "PYTHONMALLOC" environment variable.

* "malloc": system allocators from the standard C library, C
  functions: "malloc()", "calloc()", "realloc()" and "free()".

* "pymalloc": pymalloc memory allocator.

* "mimalloc": mimalloc memory allocator.

* "+ debug": with debug hooks on the Python memory allocators.

* "Debug build": Python build in debug mode.


メモリアロケータをカスタマイズする
==================================

Added in version 3.4.

type PyMemAllocatorEx

   Structure used to describe a memory block allocator. The structure
   has the following fields:

   +------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | フィールド                                                 | 意味                                    |
   |============================================================|=========================================|
   | "void *ctx"                                                | 第一引数として渡されるユーザコンテキス  |
   |                                                            | ト                                      |
   +------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | "void* malloc(void *ctx, size_t size)"                     | メモリブロックを割り当てます            |
   +------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | "void* calloc(void *ctx, size_t nelem, size_t elsize)"     | 0で初期化されたメモリブロックを割り当て |
   |                                                            | ます                                    |
   +------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | "void* realloc(void *ctx, void *ptr, size_t new_size)"     | メモリブロックを割り当てるかリサイズし  |
   |                                                            | ます                                    |
   +------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | "void free(void *ctx, void *ptr)"                          | メモリブロックを解放する                |
   +------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+

   バージョン 3.5 で変更: The "PyMemAllocator" structure was renamed
   to "PyMemAllocatorEx" and a new "calloc" field was added.

type PyMemAllocatorDomain

   アロケータドメインを同定するための列挙型です。ドメインは:

   PYMEM_DOMAIN_RAW

      関数:

      * "PyMem_RawMalloc()"

      * "PyMem_RawRealloc()"

      * "PyMem_RawCalloc()"

      * "PyMem_RawFree()"

   PYMEM_DOMAIN_MEM

      関数:

      * "PyMem_Malloc()",

      * "PyMem_Realloc()"

      * "PyMem_Calloc()"

      * "PyMem_Free()"

   PYMEM_DOMAIN_OBJ

      関数:

      * "PyObject_Malloc()"

      * "PyObject_Realloc()"

      * "PyObject_Calloc()"

      * "PyObject_Free()"

void PyMem_GetAllocator(PyMemAllocatorDomain domain, PyMemAllocatorEx *allocator)

   指定されたドメインのメモリブロックアロケータを取得します。

void PyMem_SetAllocator(PyMemAllocatorDomain domain, PyMemAllocatorEx *allocator)

   指定されたドメインのメモリブロックアロケータを設定します。

   新しいアロケータは、0バイトを要求されたときユニークな "NULL" でない
   ポインタを返さなければなりません。

   For the "PYMEM_DOMAIN_RAW" domain, the allocator must be thread-
   safe: a *thread state* is not *attached* when the allocator is
   called.

   For the remaining domains, the allocator must also be thread-safe:
   the allocator may be called in different interpreters that do not
   share a *GIL*.

   新しいアロケータがフックでない (1つ前のアロケータを呼び出さない) 場
   合、 "PyMem_SetupDebugHooks()" 関数を呼び出して、新しいアロケータの
   上にデバッグフックを再度設置しなければなりません。

   See also "PyPreConfig.allocator" and Preinitialize Python with
   PyPreConfig.

   警告:

     "PyMem_SetAllocator()" does have the following contract:

     * It can be called after "Py_PreInitialize()" and before
       "Py_InitializeFromConfig()" to install a custom memory
       allocator. There are no restrictions over the installed
       allocator other than the ones imposed by the domain (for
       instance, the Raw Domain allows the allocator to be called
       without an *attached thread state*). See the section on
       allocator domains for more information.

     * If called after Python has finish initializing (after
       "Py_InitializeFromConfig()" has been called) the allocator
       **must** wrap the existing allocator. Substituting the current
       allocator for some other arbitrary one is **not supported**.

   バージョン 3.12 で変更: All allocators must be thread-safe.

void PyMem_SetupDebugHooks(void)

   Setup debug hooks in the Python memory allocators to detect memory
   errors.


Debug hooks on the Python memory allocators
===========================================

When Python is built in debug mode, the "PyMem_SetupDebugHooks()"
function is called at the Python preinitialization to setup debug
hooks on Python memory allocators to detect memory errors.

The "PYTHONMALLOC" environment variable can be used to install debug
hooks on a Python compiled in release mode (ex: "PYTHONMALLOC=debug").

The "PyMem_SetupDebugHooks()" function can be used to set debug hooks
after calling "PyMem_SetAllocator()".

These debug hooks fill dynamically allocated memory blocks with
special, recognizable bit patterns. Newly allocated memory is filled
with the byte "0xCD" ("PYMEM_CLEANBYTE"), freed memory is filled with
the byte "0xDD" ("PYMEM_DEADBYTE"). Memory blocks are surrounded by
"forbidden bytes" filled with the byte "0xFD" ("PYMEM_FORBIDDENBYTE").
Strings of these bytes are unlikely to be valid addresses, floats, or
ASCII strings.

実行時チェック:

* Detect API violations. For example, detect if "PyObject_Free()" is
  called on a memory block allocated by "PyMem_Malloc()".

* Detect write before the start of the buffer (buffer underflow).

* Detect write after the end of the buffer (buffer overflow).

* Check that there is an *attached thread state* when allocator
  functions of "PYMEM_DOMAIN_OBJ" (ex: "PyObject_Malloc()") and
  "PYMEM_DOMAIN_MEM" (ex: "PyMem_Malloc()") domains are called.

On error, the debug hooks use the "tracemalloc" module to get the
traceback where a memory block was allocated. The traceback is only
displayed if "tracemalloc" is tracing Python memory allocations and
the memory block was traced.

Let *S* = "sizeof(size_t)". "2*S" bytes are added at each end of each
block of *N* bytes requested.  The memory layout is like so, where p
represents the address returned by a malloc-like or realloc-like
function ("p[i:j]" means the slice of bytes from "*(p+i)" inclusive up
to "*(p+j)" exclusive; note that the treatment of negative indices
differs from a Python slice):

"p[-2*S:-S]"
   Number of bytes originally asked for.  This is a size_t, big-endian
   (easier to read in a memory dump).

"p[-S]"
   API identifier (ASCII character):

   * "'r'" for "PYMEM_DOMAIN_RAW".

   * "'m'" for "PYMEM_DOMAIN_MEM".

   * "'o'" for "PYMEM_DOMAIN_OBJ".

"p[-S+1:0]"
   Copies of PYMEM_FORBIDDENBYTE.  Used to catch under- writes and
   reads.

"p[0:N]"
   The requested memory, filled with copies of PYMEM_CLEANBYTE, used
   to catch reference to uninitialized memory.  When a realloc-like
   function is called requesting a larger memory block, the new excess
   bytes are also filled with PYMEM_CLEANBYTE.  When a free-like
   function is called, these are overwritten with PYMEM_DEADBYTE, to
   catch reference to freed memory.  When a realloc- like function is
   called requesting a smaller memory block, the excess old bytes are
   also filled with PYMEM_DEADBYTE.

"p[N:N+S]"
   Copies of PYMEM_FORBIDDENBYTE.  Used to catch over- writes and
   reads.

"p[N+S:N+2*S]"
   Only used if the "PYMEM_DEBUG_SERIALNO" macro is defined (not
   defined by default).

   A serial number, incremented by 1 on each call to a malloc-like or
   realloc-like function.  Big-endian "size_t".  If "bad memory" is
   detected later, the serial number gives an excellent way to set a
   breakpoint on the next run, to capture the instant at which this
   block was passed out.  The static function bumpserialno() in
   obmalloc.c is the only place the serial number is incremented, and
   exists so you can set such a breakpoint easily.

A realloc-like or free-like function first checks that the
PYMEM_FORBIDDENBYTE bytes at each end are intact.  If they've been
altered, diagnostic output is written to stderr, and the program is
aborted via Py_FatalError().  The other main failure mode is provoking
a memory error when a program reads up one of the special bit patterns
and tries to use it as an address.  If you get in a debugger then and
look at the object, you're likely to see that it's entirely filled
with PYMEM_DEADBYTE (meaning freed memory is getting used) or
PYMEM_CLEANBYTE (meaning uninitialized memory is getting used).

バージョン 3.6 で変更: The "PyMem_SetupDebugHooks()" function now also
works on Python compiled in release mode.  On error, the debug hooks
now use "tracemalloc" to get the traceback where a memory block was
allocated. The debug hooks now also check if there is an *attached
thread state* when functions of "PYMEM_DOMAIN_OBJ" and
"PYMEM_DOMAIN_MEM" domains are called.

バージョン 3.8 で変更: Byte patterns "0xCB" ("PYMEM_CLEANBYTE"),
"0xDB" ("PYMEM_DEADBYTE") and "0xFB" ("PYMEM_FORBIDDENBYTE") have been
replaced with "0xCD", "0xDD" and "0xFD" to use the same values than
Windows CRT debug "malloc()" and "free()".


pymalloc アロケータ
===================

Python has a *pymalloc* allocator optimized for small objects (smaller
or equal to 512 bytes) with a short lifetime. It uses memory mappings
called "arenas" with a fixed size of either 256 KiB on 32-bit
platforms or 1 MiB on 64-bit platforms. It falls back to
"PyMem_RawMalloc()" and "PyMem_RawRealloc()" for allocations larger
than 512 bytes.

*pymalloc* is the default allocator of the "PYMEM_DOMAIN_MEM" (ex:
"PyMem_Malloc()") and "PYMEM_DOMAIN_OBJ" (ex: "PyObject_Malloc()")
domains.

アリーナアロケータは、次の関数を使います:

* "VirtualAlloc()" and "VirtualFree()" on Windows,

* "mmap()" and "munmap()" if available,

* それ以外の場合は "malloc()" と "free()"。

This allocator is disabled if Python is configured with the "--
without-pymalloc" option. It can also be disabled at runtime using the
"PYTHONMALLOC" environment variable (ex: "PYTHONMALLOC=malloc").

Typically, it makes sense to disable the pymalloc allocator when
building Python with AddressSanitizer ("--with-address-sanitizer")
which helps uncover low level bugs within the C code.


pymalloc アリーナアロケータのカスタマイズ
-----------------------------------------

Added in version 3.4.

type PyObjectArenaAllocator

   アリーナアロケータを記述するための構造体です。3つのフィールドを持ち
   ます:

   +----------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | フィールド                                         | 意味                                    |
   |====================================================|=========================================|
   | "void *ctx"                                        | 第一引数として渡されるユーザコンテキス  |
   |                                                    | ト                                      |
   +----------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | "void* alloc(void *ctx, size_t size)"              | size バイトのアリーナを割り当てます     |
   +----------------------------------------------------+-----------------------------------------+
   | "void free(void *ctx, void *ptr, size_t size)"     | アリーナを解放します                    |
   +----------------------------------------------------+-----------------------------------------+

void PyObject_GetArenaAllocator(PyObjectArenaAllocator *allocator)

   アリーナアロケータを取得します。

void PyObject_SetArenaAllocator(PyObjectArenaAllocator *allocator)

   アリーナアロケータを設定します。


The mimalloc allocator
======================

Added in version 3.13.

Python supports the mimalloc allocator when the underlying platform
support is available. mimalloc is a general purpose allocator with
excellent performance characteristics, initially developed by Daan
Leijen for the runtime systems of the Koka and Lean languages.

Unlike pymalloc, which is optimized for small objects (512 bytes or
fewer), mimalloc handles allocations of any size.

In the *free-threaded* build, mimalloc is the default and **required**
allocator for the "PYMEM_DOMAIN_MEM" and "PYMEM_DOMAIN_OBJ" domains.
It cannot be disabled in free-threaded builds.  The free-threaded
build uses per-thread mimalloc heaps, which allows allocation and
deallocation to proceed without locking in most cases.

In the default (non-free-threaded) build, mimalloc is available but
not the default allocator.  It can be selected at runtime using
"PYTHONMALLOC""=mimalloc" (or "mimalloc_debug" to include debug
hooks).  It can be disabled at build time using the "--without-
mimalloc" configure option, but this option cannot be combined with "
--disable-gil".


tracemalloc C API
=================

Added in version 3.7.

int PyTraceMalloc_Track(unsigned int domain, uintptr_t ptr, size_t size)

   Track an allocated memory block in the "tracemalloc" module.

   Return "0" on success, return "-1" on error (failed to allocate
   memory to store the trace). Return "-2" if tracemalloc is disabled.

   If memory block is already tracked, update the existing trace.

int PyTraceMalloc_Untrack(unsigned int domain, uintptr_t ptr)

   Untrack an allocated memory block in the "tracemalloc" module. Do
   nothing if the block was not tracked.

   Return "-2" if tracemalloc is disabled, otherwise return "0".


使用例
======

最初に述べた関数セットを使って、 概要 節の例を Python ヒープに I/O バ
ッファをメモリ確保するように書き換えたものを以下に示します:

   PyObject *res;
   char *buf = (char *) PyMem_Malloc(BUFSIZ); /* for I/O */

   if (buf == NULL)
       return PyErr_NoMemory();
   /* ...Do some I/O operation involving buf... */
   res = PyBytes_FromString(buf);
   PyMem_Free(buf); /* allocated with PyMem_Malloc */
   return res;

同じコードを型対象の関数セットで書いたものを以下に示します:

   PyObject *res;
   char *buf = PyMem_New(char, BUFSIZ); /* for I/O */

   if (buf == NULL)
       return PyErr_NoMemory();
   /* ...Do some I/O operation involving buf... */
   res = PyBytes_FromString(buf);
   PyMem_Free(buf); /* allocated with PyMem_New */
   return res;

上の二つの例では、バッファを常に同じ関数セットに属する関数で操作してい
ることに注意してください。実際、あるメモリブロックに対する操作は、異な
るメモリ操作機構を混用する危険を減らすために、同じメモリ API ファミリ
を使って行うことが必要です。以下のコードには二つのエラーがあり、そのう
ちの一つには異なるヒープを操作する別のメモリ操作関数を混用しているので
*致命的 (Fatal)* とラベルづけをしています。

   char *buf1 = PyMem_New(char, BUFSIZ);
   char *buf2 = (char *) malloc(BUFSIZ);
   char *buf3 = (char *) PyMem_Malloc(BUFSIZ);
   ...
   PyMem_Del(buf3);  /* Wrong -- should be PyMem_Free() */
   free(buf2);       /* Right -- allocated via malloc() */
   free(buf1);       /* Fatal -- should be PyMem_Free()  */

In addition to the functions aimed at handling raw memory blocks from
the Python heap, objects in Python are allocated and released with
"PyObject_New", "PyObject_NewVar" and "PyObject_Free()".

これらの関数については、次章の C による新しいオブジェクト型の定義や実
装に関する記述の中で説明します。
