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生产者、消费者模型---Queue类

2018-11-26 08:01:05来源：博客园阅读 ()

Queue队列在几乎每种编程语言都会有，python的列表隐藏的一个特点就是一个后进先出（LIFO）队列。而本文所讨论的Queue是python标准库queue中的一个类。它的原理与列表相似，但是先进先出（FIFO）队列。而内部实现更为完善，有很好的数据保护机制和较高的稳定性。

Queue队列在编程中的实际应用：进程中的通信

假如两个进程需要互通数据，怎么做？用全局变量，然后在进程中通过global关键字引入全局变量？那么问题是，怎么控制时间效应问题，即什么时候获取、传送变量？如何保证数据的安全性？显然这种方案不是很恰当。python为实现进程的通信提出了几种机制，本文的Queue就是其中一种。另外还有Value，Pipe，Signal等。

关于Signal可以看看我之前写的文章：

python进程间通信--信号Signal

首先需要介绍Queue的类方法：

1. put() 将元素塞进队列，当队列满时不阻塞等待

2. put_nowait() 将元素塞进队列，当队列满时阻塞等待

3. get() 从队列中取出元素，如果队列为空，阻塞等待

4.get_nowait() 从队列中取出元素，如果队列为空，不阻塞等待

5. full() 判断队列是否为已经满

6. empty() 判断队列是否为空

7. qsize() 获取队列的元素个数

8. task_done() 当队列中的任务完成之后会自动调用task_done通知Queue，并对join()方法其作用

9. join() 阻塞等待直到所有的队列任务完成（被取出）

几个关键方法的详细解析

1. put(item,block = True,timeout = None)

将数据放进队列，item为需要塞进的元素，可以是基本数据类型变量，也可以是函数。block默认为True，即当Queue已经满时，阻塞等待（阻塞是同步的，会影响下面的程序运行）。timeout为阻塞等待超时时间，单位为秒，当超过指定时间，退出阻塞，同时报出Queue.Full错误。

2. put_nowait(item)

基本用法与put相同。当队列为满时，不阻塞等待，相当于put(item,block = False)

3. get(block= True ,timeout = None)

获取队列元素，block默认为True，当队列为空时，阻塞等待。timeout为超时时间，单位为秒，当超过指定时间，退出等待。

一、Queue类方法基本使用（为了方便调用接口，在Queue基础上再进行了一次封装）：

from queue import Queue

class MyQueue():             #自定义一个MyQueue类
    def __init__(self,size=3):
        self.max_size = size
        self.queue = Queue(size)

  #put()方法可以传入数值
    # item1 = 2
    # item2 = 3
    # item3 = 3
    # queue.put(item1)
    # queue.put(item2)
    # queue.put(item3)

    # 超过长度的内容
    # item4 = 5
    # queue.put_nowait(item4)

  #put()方法也可以传入函数
    def _print_num(self,n):
        num = n
        return num

    def write_queue(self):
        for n in range(4):
            try:
              self.queue.put_nowait(self._print_num(n))  #如果队列已经满了，会报出Full错误
            except:
                print('队列已经满了，无法添加内容')


    def print_queue_length(self):
       print('队列的长度是：',self.queue.qsize())

    def get_queue(self):
        if self.queue.empty() is False:
            queue_size = self.queue.qsize()
            n = 1
            for i in range(queue_size):
                if n > queue_size:
                    print('队列已经空了')
                value = self.queue.get()
                print('队列第%s个值是：%s'%(n,value))
                n += 1
        else:
          print('队列已经空了')


#实例化代码
myqueue = MyQueue()
myqueue.write_queue()
myqueue.print_queue_length()
myqueue.get_queue()

运行结果

二、多进程间通信：

from multiprocessing import Process,Manager

#将数据装进队列
def put_msg(q,lock):
    lock.acquire()
    for i in range(3):
        print('Put the %s into the queue'%i)
        q.put(i)
    lock.release()


#将数据取出
def get_msg(q):
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(False)
            print('Get the %s from the queue'%value)
        else:
            break


if __name__ == '__main__':
    manager = Manager()
    q = manager.Queue(5)    #队列长度设为5
    lock = manager.Lock()
    processes = []
    process1 = Process(target=put_msg,args=(q,lock))
    process2 = Process(target=get_msg,args=(q,))

    processes.append(process1)
    processes.append(process2)
    for p in processes:
        p.start()
        p.join()

在父进程中创建Queue，传入两个子进程，因为python中父进程无法与子进程进行通信，必须使用Manage来实现。为了只有一个进程在对Queue进行操作，使用Manage的Lock。

结果：
Put the 0 into the queue
Put the 1 into the queue
Put the 2 into the queue
Get the 0 from the queue
Get the 1 from the queue
Get the 2 from the queue

解析：

操作系统中的进程本质上是一个程序在一个数据集上动态执行的过。而进程通常是由程序、数据集和进程控制块组成。

程序：也就是我们平时在IDE上编写的代码，描述了一个进程的内部运行逻辑和功能；

数据集：程序执行过程中需要使用到的资源，包括IO资源和基本数据；

进程控制块：操作系统通过进程控制块来对进程进行控制和管理，记录进程的外部特征和描述进程的执行过程

为了确保进程的独立性和安全性，操作系统在执行程序的时候会用到一种数据解构--栈。程序和数据的入栈和出栈对应进程的等待执行和正式执行。如此一来，各进程间的数据集是相互隔离的（即使可能在同一个栈中）。要进行进程间的通信或者子进程和父进程间的通信，就必须通过一定的机制。上面谈到到的Queue和Manage正是python中实现进程间通信的其中两种。

参考文章：

http://python.jobbole.com/86181/

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