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Python通過佇列實現程序間通訊詳情

2022-06-17 14:02:18

一、前言

在多程序中,每個程序之間是什麼關係呢?其實每個程序都有自己的地址空間、記憶體、資料棧以及其他記錄其執行狀態的輔助資料。下面通過一個例子,驗證一下程序之間能否直接共用資訊。

定義一個全域性變數g_num,分別建立2個子程序對g_num執行不同的操作,並輸出操作後的結果。

程式碼如下:

# _*_ coding:utf-8 _*_
from multiprocessing import Process
def plus():
    print("-------子程序1開始----------")
    global g_num
    g_num += 50
    print("g_num is %d" % g_num)
    print("-------子程序1結束----------")
def minus():
    print("-------子程序2開始----------")
    global g_num
    g_num -= 50
    print("g_num is %d" % g_num)
    print("-------子程序2結束----------")
g_num = 100  # 定義一個全域性變數
if __name__ == "__main__":
    print("-------主程序開始----------")
    print("g_num is %d" % g_num)
    p1 = Process(target=plus)  # 範例化程序p1
    p2 = Process(target=minus)  # 範例化程序p2
    p1.start()  # 開啟p1程序
    p2.start()  # 開啟p2程序
    p1.join()  # 等待p1程序結束
    p2.join()  # 等待p2程序結束
    print("-------主程序結束----------")

執行結果如圖所示:

上述程式碼中,分別建立了2個子程序,一個子程序中令g_num加上50,另一個子程序令g_num減去50。但是從執行結果可以看出來,g_num在父程序和2個子程序中的初始值都是100。也就是全域性變數g_num在一個程序中的結果,沒有傳到下一個程序中,即程序之間沒有共用資訊。

程序間示意圖如圖所示:

要如何才能實現程序間的通訊呢?Python的multiprocessing模組包裝了底層的機制,提供了Queue(佇列)、Pipes(管道)等多種方式來交換資料。本文將講解通過佇列(Queue)來實現程序間的通訊。

二、佇列簡介

佇列(Queue)就是模型仿現實中的排隊。例如學生在食堂排隊買飯。新來的學生排隊到隊伍最後,最前面的學生買完飯走開,後面的學生跟上。

可以看出佇列有兩個特點:

  • 新來的學生都排在隊尾。
  • 最前的學生完成後離隊,後面一個跟上。

根據以上特點,可以歸納出佇列的結構如圖所示:

三、多程序佇列的使用

程序之間有時需要通訊,作業系統提供了很多機制來實現程序間的通訊。可以使用multiprocessing模組的Queue實現多程序之間的資料傳遞。Queue本身是一個訊息佇列程式,下面介紹一下Queue的使用。

初始化Queue()物件時(例如:q=Queue(num)),若括號中沒有指定最大可接收的訊息數量,或數量為負值,那麼就代表可接收的訊息數量沒有上限(直到記憶體的盡頭)。

Queue的常用方法如下:

Queue.qsize():返回當前佇列包含的訊息數量。Queue.empty():如果佇列為空,返回True;返之返回False。Queue.full():如果佇列滿了,返回True;反之返回False。Queue.get(block[,timeout]):獲取佇列中的一條資訊,然後將其從佇列中移除,block預設值為True。

如果block使用預設值,且沒有設定timeout(單位秒),訊息佇列為空,此時程式將被阻塞(停在讀取狀態),直到從訊息佇列讀到訊息為止。如果設定了timeout,則會等待timeout秒,若還沒有讀取任何訊息,則丟擲“Queue.Empty”異常。

如果block值為False,訊息佇列為空,則會立刻丟擲“Queue.Empty”異常。

Queue.get_nowait():相當於Queue.get(False)。Queue.put(item,[block[,timeout]]):將item訊息寫入佇列,block預設值為True。

如果block使用預設值,且沒有設定timeout(單位秒),訊息佇列如果已經沒有空間可以寫入,此時程式將被阻塞(停在寫入狀態),直到從訊息佇列騰出空間為止,如果設定了timeout,則會等待timeout秒,若還沒有空間,則丟擲“Queue.Full”異常。

如果block值為False,訊息佇列沒有空間可寫入,則會立刻丟擲“Queue.Full”異常

Queue.put_nowait(item):相當Queue.put(item,False)。

下面,通過一個例子學習一下如何使用processing.Queue。

程式碼如下:

# _*_ coding:utf-8 _*_
from multiprocessing import Queue
if __name__ == "__main__":
    q = Queue(3)
    q.put("訊息1")
    q.put("訊息2")
    print(q.full())  # 返回False
    q.put("訊息3")
    print(q.full())  # 返回True
    # 因為訊息佇列已滿,下面的try都會丟擲異常
    # 第一個try會等待2秒再丟擲異常,第二個try會立刻丟擲異常
    try:
        q.put("訊息4", True, 2)
    except:
        print("訊息佇列已滿,現有訊息數量:%s" % q.qsize())

    try:
        q.put_nowait("訊息4")
    except:
        print("訊息佇列已滿,現有訊息數量:%s" % q.qsize())

    # 讀取訊息時,先判斷訊息佇列是否為空,再讀取
    if not q.empty():
        print("-----從佇列中獲取訊息-------")
        for i in range(q.qsize()):
            print(q.get_nowait())
    # 先判讀訊息佇列是否已滿,再寫入:
    if not q.full():
        q.put_nowait("訊息4")

執行結果如圖所示:

四、使用佇列在程序間通訊

我們知道使用multiprocessing.Process可以建立多程序,使用multiprocessing.Queue可以實現佇列的操作。接下來,通過一個範例結合Process和Queue實現程序間的通訊。

建立2個子程序,一個子程序負責向佇列中寫入資料,另外一個子程序負責從佇列中讀取資料。為了保證能夠正確從佇列中讀取資料,設定讀取資料的程序等待時間為2秒。如果2秒後乃然無法讀取資料,則丟擲異常。

程式碼如下:

# _*_ coding:utf-8 _*_
from multiprocessing import Process, Queue
import time
# 向佇列中寫入資料
def write_task(q):
    if not q.full():
        for i in range(5):
            message = "訊息" + str(i)
            q.put(message)
            print("寫入:%s" % message)
# 從佇列中讀取資料
def read_task(q):
    time.sleep(1)  # 休眠1秒
    while not q.empty():
        print("讀取:%s" % q.get(True, 2))  # 等待2秒中,如果沒有讀取到任何資訊,則丟擲異常
if __name__ == "__main__":
    print("--------父程序開始---------")
    q = Queue()  # 父程序建立Queue,並傳給各個子程序
    pw = Process(target=write_task, args=(q,))  # 範例化寫入佇列的子程序,並傳遞給佇列
    pr = Process(target=read_task, args=(q,))  # 範例化讀取佇列的子程序,並傳遞給佇列
    pw.start()  # 啟動子程序pw,寫入
    pr.start()  # 啟動子程序pr,讀取
    pw.join()  # 等待pw結束
    pr.join()  # 等待pr結束
    print("-------父程序結束-----------")

執行結果如下:

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