pandas 3.0 内存调试指南:学会区分真假内存泄漏

简介: 本文揭秘pandas“内存不释放”的常见误解:非泄漏,实为CoW共享、Arrow缓冲池、视图隐式引用及分配器延迟归还OS内存所致。RSS≠真实占用,排查需结合tracemalloc、objgraph与原生指标,核心是管控引用生命周期。

你有没有遇到过,在使用pandas的时候批处理任务跑完了,

del df

执行了,甚至还使用了

import gc; gc.collect()

但是进程内存确没有减少。

我们首先就会想到这可能是"pandas 有内存泄漏",其实这不一定就是泄漏。可能是引用、分配器的正常行为。而且在pandas 3.0 之后这类情况更多了,因为Copy-on-Write 改变了数据共享的方式,Arrow 支持的 dtype 让内存行为变得更难预测。

RSS 不是"正在使用的内存"

很多人把 RSS 当成实际内存占用来看,这是问题的根源。

RSS 是操作系统报告的常驻内存大小,而Python 对象实际需要多少内存是另一回事。分配器为了提高效率会预留一大块内存池(arena)以备后用。删掉一个 DataFrame,Python 层面的对象确实释放了但 RSS 不一定下降,因为分配器(Python 的、NumPy 的、Arrow 的、libc 的)只是把这块内存标记为"可重用",并没有还给操作系统。

这就解释了一个常见现象:监控面板上看着像在泄漏,但程序跑得好好的,吞吐量很稳定。内存在进程内部被重复利用,RSS 高位运行其实是正常的。

Copy-on-Write 带来的认知陷阱

pandas 3.0 默认启用了 Copy-on-Write。从用户角度看索引操作和很多方法都"像是"返回了副本,不用再担心意外修改原数据。听起来很好,但这里有个容易忽略的点:CoW 改善的是行为安全性,跟内存什么时候释放没有直接关系。

底层实现上,CoW 会让多个 DataFrame 或 Series 共享同一块数据缓冲区,直到某个对象发生写操作才触发真正的复制。换句话说,你以为创建了好几个独立的副本,实际上它们可能都指向同一块内存。只要任意一个派生对象还活着,这块内存就不会被释放。

哪删掉了"主" DataFrame?没用的,如果某个 Series 切片还在作用域里那一大块缓冲区照样活得好好的。

最常见的"假泄漏":视图比主对象活得久

 import pandas as pd  

 df = pd.DataFrame({"a": range(10_000_000), "b": range(10_000_000)})  
 view = df[["a"]]          # looks small, but can keep df's blocks alive  
 del df                    # you expect memory drop  
 # view still references the underlying data, so buffers can remain

这是实际使用的时候碰到最多的情况。一个看起来人畜无害的 view,实际上在底层持有整个大表的数据块引用。你删掉了 df,但 view 没删内存就这么留着了。

那些不是"副本"的"副本"

即便不考虑 CoW,pandas 本身就有很多这类行为:操作返回的对象可能共享底层数据块,或者内部维护着某些引用。而Python 变量只是冰山一角。闭包、缓存字典、全局变量、异步任务,这些任何一个都可能悄悄地让对象存活下去。

几个高频踩坑场景:

把中间结果存进列表"方便调试":

 snapshots = []  
 for chunk in chunks:  
     df = transform(chunk)  
     snapshots.append(df)     # you keep every chunk alive

每个 chunk 都活着,内存持续增长。

按用户 ID 或任务 ID 缓存结果,开发阶段觉得挺聪明,上了生产变成了内存博物馆——只进不出。

还有一种是 GroupBy 加上一长串 apply 链式调用,中间产生大量临时对象,GC 来不及回收,尤其在循环里更明显。

Arrow buffers:快是真快,粘也是真粘

pandas 3.0 默认启用了专用的 string dtype,装了 PyArrow 的话字符串列会用 Arrow 作为底层存储。性能和内存效率都有提升,但代价是内存行为变得更复杂。

Arrow 有自己的缓冲区管理和内存池机制。你可能会看到这种诡异的现象:

pyarrow.total_allocated_bytes()

显示 Arrow 那边已经释放得差不多了,但

psutil.Process().memory_info().rss

却一直往上涨。

这不一定是泄漏,更可能是内存池化加上碎片化加上延迟释放的综合效果。

双缓冲区

从 Parquet 读数据是很常见的操作。先读成 Arrow Table,再转成 pandas DataFrame,如果两个对象都留在作用域里,等于同一份数据在内存中存了两遍。

 import pyarrow.parquet as pq  

 table = pq.read_table("big.parquet")  
 df = table.to_pandas()     # now you may hold Arrow buffers + pandas objects  
 # If table stays referenced, memory won't drop as you expect

解决方法也很简单,转换完就 del 掉源对象。

排查检查清单

与其凭直觉猜测,不如系统地排查。

第一步,确认到底是持续增长还是一次性的高水位。同一个进程里把任务跑两遍,如果第一遍 RSS 上升、第二遍稳定,那多半是分配器在重用内存,不是泄漏。如果 RSS 随着工作量线性增长,那确实有东西在不断积累——可能是真正的泄漏,也可能是某个无限增长的缓存。

第二步,关注对象引用而不是内存数字。用

gc.get_objects()

采样观察对象数量变化趋势,用

tracemalloc

追踪 Python 层面的分配模式,用

objgraph

找出哪些类型在增长、被谁持有。

第三步,区分 Python 堆和原生缓冲区。Python 分配可以用 tracemalloc 和 pympler 看,进程 RSS 用 psutil,Arrow 的内存用

pyarrow.total_allocated_bytes()

。如果 Python 层面很平稳但 RSS 在涨,问题多半出在原生内存池或碎片上。

第四步,排查意外引用。DataFrame 或 Series 有没有被存进全局变量、类属性或者某个缓存字典?有没有往列表里追加数据忘了清理?lambda 或回调函数有没有闭包了 df?有没有返回的对象内部持有大对象的引用?

第五步,实在搞不定就用进程隔离。跑 Arrow/Parquet 密集型任务时,把工作放到 worker 进程里,定期回收 worker(比如每处理 N 个文件就重启一次),让操作系统来当垃圾收集器。

总结

pandas 的"内存泄漏"多数时候是下面几种情况:视图或切片持有大缓冲区的引用导致无法释放;Copy-on-Write 机制让数据共享的时间比预想的长;Arrow 或其他原生分配器即使对象释放后仍保留内存池;缓存、列表、闭包、长期任务导致对象被意外持有。

真正有效的应对方式不是

gc.collect()

,而是:缩短对象生命周期,避免无意间保留引用,测量正确的指标,必要时用进程回收来兜底。

https://avoid.overfit.cn/post/44a0a3f2e4544cbe9307e9afe262779b

by Nikulsinh Rajput

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