ガベージコレクターはすべてのPythonオブジェクトを追跡できるのか？

Pythonの2つのメモリ管理手法

Pythonでは、不要になったオブジェクト（ガベージ）を回収するために、主に2つの仕組みが使われています。

1つ目は参照カウントです。これはすべてのオブジェクトに適用されますが、互いを直接・間接的に参照し合う「循環参照」を持つオブジェクト群は解放できません。そこで登場するのが、いわゆるガベージコレクターです。Pythonにはgcモジュールが用意されており、追跡対象のオブジェクトの中から循環参照を検出して回収します。ただし、循環参照の一部になり得るオブジェクトだけがこのサイクリックGCの対象となります。たとえばリストは対象ですが、文字列は他のオブジェクトを一切参照しないため対象外です。

GCによる追跡の対象になるのはどのオブジェクト？

Pythonで定義されたすべてのクラスとそのインスタンスは、自動的にサイクリックGCの追跡対象になります。一方、C言語で定義された型は、開発者が明示的に対応を実装しない限り追跡されません。標準の組み込み型のうち、循環参照に関わり得るものはすべて追跡対象となっています。つまり、gcモジュールが把握しているのは「GCに協力してくれる型」だけだということです。

obmalloc：Python独自のメモリアロケータ

さらに、Pythonには独自の集約型メモリアロケータ（obmalloc）があります。これは大きなメモリ領域（アリーナ）をまとめて確保し、生成される小さなオブジェクトの大部分にそのメモリを割り当てます。現在のPythonでは、アリーナが完全に空になれば解放されるようになりました（以前は長らく解放されませんでした）。しかし実際には、アリーナを空にする機会はかなり少ないのが実情です。Pythonのオブジェクトはメモリ上で移動できないため、最後に残った少数のオブジェクトを別のアリーナへ押し込むような最適化が行えないからです。