Matplotlib 后端与事件循环

前言：很多时候，matplot跑出来的是这种静态非交互的，如果想要可以交互，就得设定一个后端，例如

matplotlib.use('TkAgg')

无交互
在这里插入图片描述

Matplotlib 的设计理念是能够以多种方式输出图形，无论是显示在屏幕上、保存到文件，还是嵌入到各种用户界面（GUI）中。为了实现这一点，Mat它使用了“后端”的概念。

简单来说，后端就是 Matplotlib 用来实际渲染和显示图形的软件模块。 它负责处理从 Matplotlib 的高级绘图命令（如 plt.plot(), plt.scatter()）到最终图像（屏幕显示或文件输出）的转换。

Matplotlib 有两种主要类型的后端：

用户界面后端 (User Interface Backends)：也称为交互式后端。它们允许在屏幕上显示图形，并与图形进行交互（如缩放、平移、保存等）。这些后端通常依赖于特定的 GUI 工具包，比如 Tkinter、Qt、GTK、WxWidgets 等。
非交互式后端 (Non-Interactive Backends)：也称为硬拷贝后端。这些后端主要用于将图形保存为各种文件格式（如 PNG, PDF, SVG, JPG），而不显示在屏幕上。它们不需要 GUI 工具包的支持。

如何选择后端？

Matplotlib 会尝试自动选择一个合适的后端，通常会根据安装的 GUI 库和运行环境来决定。但也可以显式地指定后端，最常用的方法是：

Python

import matplotlib
matplotlib.use('backend_name')
import matplotlib.pyplot as plt

注意：matplotlib.use() 必须在 import matplotlib.pyplot as plt 之前调用。

事件循环是 GUI 应用程序的核心机制。它是一个持续运行的循环，负责监听来自操作系统和用户的各种事件（如鼠标点击、键盘输入、窗口调整大小、绘图刷新请求等），然后将这些事件分派给相应的处理函数。

在 Matplotlib 中，交互式后端需要一个事件循环来：

如果在一个非 GUI 环境（如纯 Python 脚本）中使用交互式后端，并且没有显式地启动事件循环，那么图形窗口可能不会显示，或者程序会立即退出，因为没有东西来保持它运行和响应事件。

交互式后端主要用于在屏幕上显示图形并允许用户进行实时操作。

常见交互式后端：

'TkAgg': 基于 Tkinter GUI 工具包。它通常是 Python 安装自带的，因此在许多系统上默认可用。在的原始代码中使用的就是它。
'QtAgg' / 'Qt5Agg' / 'Qt4Agg': 基于 Qt GUI 工具包（PyQt 或 PySide）。提供更现代、功能更丰富的 GUI。
'WxAgg': 基于 WxPython GUI 工具包。
'GTK3Agg' / 'GTK4Agg': 基于 GTK GUI 工具包。
'macosx' (macOS) / 'webagg' (Web) 等。

特点：

需要 GUI 工具包： 必须安装相应的 GUI 库才能使用。
需要事件循环： 要使图形窗口持续显示和响应，需要一个正在运行的事件循环。在交互式 Python 会话（如 IPython 或 Jupyter Notebook）中，事件循环通常会自动启动或以某种方式集成。但在独立脚本中，可能需要手动调用 plt.show()，这会启动一个简单的事件循环并阻塞程序，直到窗口关闭。
内存管理： 由于需要维护 GUI 状态和图形对象，这些后端可能会在内存中保留更多资源。如果在循环中重复创建和关闭图形而不让事件循环充分清理，就容易导致内存泄漏或累积。plt.close() 尝试关闭图形，但底层 GUI 库的资源清理可能不是立即的或完全的，尤其是在没有活跃事件循环的情况下。

非交互式后端不显示图形窗口，它们的主要目的是将图形直接渲染到文件或内存缓冲区中。它们通常被称为“硬拷贝”后端，因为它们生成的是最终的、不可交互的图像。

常见非交互式后端：

'Agg': Matplotlib 的默认非交互式后端，也是最常用的。它使用 Anti-Grain Geometry (AGG) 库来生成位图（raster）图像，如 PNG、JPEG。
'PDF': 生成 PDF 文件。
'SVG': 生成可缩放矢量图形 (SVG) 文件。
'PS' / 'EPS': 生成 PostScript 或 Encapsulated PostScript 文件。

特点：

不显示窗口： 不会打开任何图形窗口。
不需要 GUI 工具包： 它们通常不依赖于任何外部 GUI 库，因此在没有桌面环境的服务器或批量处理脚本中非常有用。
不涉及事件循环： 由于没有 GUI 窗口，也就没有事件循环的需求。绘图完成后，图形资源可以直接被释放。
内存管理： 相对于交互式后端，非交互式后端在内存管理上通常更简洁和高效。它们创建图形对象，渲染到文件，然后可以更快、更彻底地释放内存。在批量生成大量图片时，使用非交互式后端能显著减少内存堆积的问题。

在批量处理数据并生成大量图片。如果使用的是 'TkAgg' 这样的交互式后端，即使调用了 plt.close()，也可能发生以下情况：

GUI 资源未及时释放： 'TkAgg' 会与 Tkinter 库交互。尽管 plt.close() 关闭了 Matplotlib 的 Figure 对象，但 Tkinter 内部可能仍然保留了一些相关的窗口句柄、上下文或像素缓冲区等资源，这些资源在没有 Tkinter 事件循环积极运行时，可能不会立即被垃圾回收或释放给操作系统。
事件循环缺失： 在你的独立脚本中，没有一个持久运行的 Tkinter 事件循环来处理这些底层资源的清理任务。每次 extract_hef_features 函数执行完毕，它可能只是短暂地创建并关闭了一个 Tkinter 窗口，但 Tkinter 的内部状态可能没有完全重置。
Python GC 的惰性： Python 的垃圾回收器在某些情况下可能会显得“懒惰”，它不会在内存达到临界点之前或在资源被“完全”释放（在 GUI 后端中可能需要事件循环的参与）之前主动回收内存。

将后端从 TkAgg 切换到 Agg ：

Agg 是为离屏渲染（off-screen rendering）设计的，它不涉及任何 GUI 窗口或事件循环。它直接将图形绘制到内存缓冲区中，然后保存到文件。
Agg 的设计使其在渲染完成后，相关的内存资源可以更直接、更迅速地被 Matplotlib 和 Python 垃圾回收器识别并释放。它避免了与外部 GUI 库（如 Tkinter）的复杂交互和它们可能存在的内存管理问题。

另外还有涉及到MNE可视化后端的问题，可以看这个

MNE后端循环

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