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Python異步IO編程的進程/線程通信實現

來源：責編：時間：2023-08-05 11:46:11 4125觀看

導讀這篇文章再講3種方式，同時講4中進程間通信的方式一、 Python 中線程間通信的實現方式共享變量共享變量是多個線程可以共同訪問的變量。在Python中，可以使用threading模塊中的Lock對象來確保線程安全，避免多個線程同時訪

這篇文章再講3種方式，同時講4中進程間通信的方式

一、 Python 中線程間通信的實現方式

共享變量

共享變量是多個線程可以共同訪問的變量。在Python中，可以使用threading模塊中的Lock對象來確保線程安全，避免多個線程同時訪問同一個變量而導致的數據競爭問題。

下面是一個使用共享變量進行線程間通信的示例代碼：

import threading# 共享變量count = 0lock = threading.Lock()# 線程函數def increment():    global count    for i in range(1000000):        lock.acquire()        count += 1        lock.release()# 創建線程t1 = threading.Thread(target=increment)t2 = threading.Thread(target=increment)# 啟動線程t1.start()t2.start()# 等待線程結束t1.join()t2.join()# 輸出結果print("count = ", count)

在上面的代碼中，我們創建了兩個線程，它們都會執行increment函數，該函數會將count變量增加1000000次。由于多個線程可能同時訪問count變量，因此我們需要使用Lock對象來確保線程安全。每當一個線程需要訪問count變量時，它必須先獲取鎖，然后執行相應的操作，最后釋放鎖，以便其他線程可以繼續訪問count變量。

事件（Event）

事件是一種線程間通信機制，它可以用于線程之間的通知和等待。一個線程可以設置事件，另外一個線程可以等待該事件的觸發。

在Python中，可以使用threading模塊中的Event對象來實現事件。Event對象有兩個方法：set和wait。當一個線程調用set方法時，它會將事件設置為已觸發狀態，所有等待該事件的線程都會被喚醒；當一個線程調用wait方法時，如果事件已經被設置為已觸發狀態，它會立即返回；否則，它會阻塞等待事件的觸發。

下面是一個使用事件進行線程間通信的示例代碼：

import threading# 事件對象event = threading.Event()# 線程函數1def wait_event():    print("waiting for event...")    event.wait()    print("event has been set.")# 線程函數2def set_event():    print("setting event...")    event.set()# 創建線程t1 = threading.Thread(target=wait_event)t2 = threading.Thread(target=set_event)# 啟動線程t1.start()t2.start()# 等待線程結束t1.join()t2.join()

在上面的代碼中，我們創建了兩個線程，一個線程會等待事件的觸發，另一個線程會設置事件。當set_event函數被調用時，它會將事件設置為已觸發狀態，然后wait_event函數會被喚醒，輸出"event has been set."。在這個示例中，我們沒有使用Lock對象來確保線程安全，因為事件對象內部已經使用了鎖來實現線程安全。

queue 模塊中的隊列

queue 模塊中的隊列是一種先進先出（FIFO）的數據結構，用于實現多個線程之間的通信。在 Python 中，可以使用 queue 模塊中的 Queue 類來創建隊列。

queue 模塊中的隊列類型分為兩種：內存隊列和文件隊列。

1、文件隊列

文件隊列是一種使用文件作為隊列的存儲方式，可以用于在不同計算機之間傳輸數據。在 Python 中，可以使用 queue 模塊中的 FileQueue 類來創建文件隊列。

下面是一個使用文件隊列實現線程間通信的示例：

import queueimport threadingdef producer(q):    for i in range(5):        q.put(i)        print(f'Produced {i}')    q.put(None)def consumer(q):    while True:        item = q.get()        if item is None:            break        print(f'Consumed {item}')if __name__ == '__main__':    q = queue.FileQueue('queue.txt')    t1 = threading.Thread(target=producer, args=(q,))    t2 = threading.Thread(target=consumer, args=(q,))    t1.start()    t2.start()    t1.join()    t2.join()

在上述代碼中，創建了兩個線程 t1 和 t2，t1 向文件隊列中寫入數據，t2 從文件隊列中讀取并打印數據。

2、內存隊列

內存隊列是一種使用內存作為隊列的存儲方式，可以用于在同一臺計算機上的進程間通信。在 Python 中，可以使用 queue 模塊中的 Queue 類來創建內存隊列。

下面是一個使用內存隊列實現線程間通信的示例：

import queueimport threadingdef producer(q):    for i in range(5):        q.put(i)        print(f'Produced {i}')def consumer(q):    while True:        item = q.get()        if item is None:            break        print(f'Consumed {item}')if __name__ == '__main__':    q = queue.Queue()    t1 = threading.Thread(target=producer, args=(q,))    t2 = threading.Thread(target=consumer, args=(q,))    t1.start()    t2.start()    t1.join()    q.put(None)    t2.join()

在上述代碼中，創建了兩個線程 t1 和 t2，t1 向內存隊列中寫入數據，t2 從內存隊列中讀取并打印數據。

二、Python 中進程間通信的實現方式

在 Python 中，進程間通信可以使用多種方式實現，例如：

管道（Pipe）
隊列（Queue）
共享內存（Shared Memory）
套接字（Socket）

下面將詳細介紹這些方式。

管道的使用及其類型

管道是一種基于內存的通信機制，用于實現兩個進程之間的通信。在 Python 中，可以使用 multiprocessing 模塊中的 Pipe 類來創建管道。

管道類型分為兩種：匿名管道和命名管道。

1、匿名管道

匿名管道是一種臨時的管道，沒有名字，只能用于父進程和其創建的子進程之間的通信。匿名管道是雙向的，可以同時進行讀寫操作。

下面是一個使用匿名管道實現進程間通信的示例：

import multiprocessingdef sender(conn):    conn.send('Hello, receiver!')    conn.close()def receiver(conn):    msg = conn.recv()    print(msg)    conn.close()if __name__ == '__main__':    parent_conn, child_conn = multiprocessing.Pipe()    p1 = multiprocessing.Process(target=sender, args=(parent_conn,))    p2 = multiprocessing.Process(target=receiver, args=(child_conn,))    p1.start()    p2.start()    p1.join()    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向 p2 發送消息，p2 接收并打印消息。

2、命名管道

命名管道是一種持久的管道，有一個名字，可以用于任意進程之間的通信。在 Python 中，可以使用 os.mkfifo 函數來創建命名管道。

下面是一個使用命名管道實現進程間通信的示例：

import osfifo_path = 'fifo_test'def sender():    with open(fifo_path, 'w') as f:        f.write('Hello, receiver!')def receiver():    with open(fifo_path, 'r') as f:        msg = f.read()        print(msg)if __name__ == '__main__':    if not os.path.exists(fifo_path):        os.mkfifo(fifo_path)    p1 = multiprocessing.Process(target=sender)    p2 = multiprocessing.Process(target=receiver)    p1.start()    p2.start()    p1.join()    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向命名管道中寫入消息，p2 從命名管道中讀取并打印消息。

multiprocessing 模塊中隊列的使用及其類型

multiprocessing 模塊中的隊列是一種多進程通信機制，可以用于實現多個進程之間的數據傳輸。在 Python 中，可以使用 multiprocessing 模塊中的 Queue 類來創建隊列。

multiprocessing 模塊中的隊列類型分為兩種：普通隊列和優先級隊列。

普通隊列

普通隊列是一種先進先出（FIFO）的隊列，可以用于在同一臺計算機上的進程間通信。在 Python 中，可以使用 multiprocessing 模塊中的 Queue 類來創建普通隊列。

下面是一個使用普通隊列實現進程間通信的示例：

import multiprocessingdef producer(q):    for i in range(5):        q.put(i)        print(f'Produced {i}')def consumer(q):    while True:        item = q.get()        if item is None:            break        print(f'Consumed {item}')if __name__ == '__main__':    q = multiprocessing.Queue()    p1 = multiprocessing.Process(target=producer, args=(q,))    p2 = multiprocessing.Process(target=consumer, args=(q,))    p1.start()    p2.start()    p1.join()    q.put(None)    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向普通隊列中寫入數據，p2 從普通隊列中讀取并打印數據。

優先級隊列

優先級隊列是一種根據元素優先級排序的隊列，可以用于在同一臺計算機上的進程間通信。在 Python 中，可以使用 multiprocessing 模塊中的 PriorityQueue 類來創建優先級隊列。

下面是一個使用優先級隊列實現進程間通信的示例：

import multiprocessingdef producer(q):    q.put((1, 'high-priority message'))    q.put((2, 'low-priority message'))    print('Messages sent')def consumer(q):    while True:        item = q.get()        if item is None:            break        print(f'Consumed {item[1]} with priority {item[0]}')if __name__ == '__main__':    q = multiprocessing.PriorityQueue()    p1 = multiprocessing.Process(target=producer, args=(q,))    p2 = multiprocessing.Process(target=consumer, args=(q,))    p1.start()    p2.start()    p1.join()    q.put(None)    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向優先級隊列中寫入數據，其中一個消息的優先級高于另一個消息，p2 從優先級隊列中讀取并打印數據。

以上就是 Python 中文件隊列、內存隊列、普通隊列和優先級隊列在線程和進程間通信的方式的完整代碼示例。需要注意的是，在使用隊列進行線程間或進程間通信時，需要進行同步和互斥操作，以避免數據競爭和其他并發問題。因此，在使用隊列進行線程間或進程間通信時，需要仔細設計和實現代碼，確保程序的正確性和穩定性。

共享內存的使用及其類型

共享內存是一種多個進程共享同一塊內存的通信機制，可以用于實現多個進程之間的高效通信。在 Python 中，可以使用 multiprocessing 模塊中的 Value 和 Array 類來創建共享內存。

共享內存類型分為兩種：基本類型和數組類型。

1、基本類型

基本類型是指 Python 中的基本數據類型，例如整數、浮點數等。在共享內存中，可以使用 Value 類來創建基本類型的共享內存。

下面是一個使用基本類型共享內存實現進程間通信的示例：

import multiprocessingdef sender(value):    value.value = 1def receiver(value):    print(value.value)if __name__ == '__main__':    value = multiprocessing.Value('i', 0)    p1 = multiprocessing.Process(target=sender, args=(value,))    p2 = multiprocessing.Process(target=receiver, args=(value,))    p1.start()    p2.start()    p1.join()    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向共享內存中寫入整數值，p2 從共享內存中讀取并打印整數值。

2、數組類型

數組類型是指 Python 中的數組，可以使用 Array 類來創建數組類型的共享內存。

下面是一個使用數組類型共享內存實現進程間通信的示例：

import multiprocessingdef sender(arr):    arr[0] = 1def receiver(arr):    print(arr[:])if __name__ == '__main__':    arr = multiprocessing.Array('i', range(10))    p1 = multiprocessing.Process(target=sender, args=(arr,))    p2 = multiprocessing.Process(target=receiver, args=(arr,))    p1.start()    p2.start()    p1.join()    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向共享內存中寫入整數數組，p2 從共享內存中讀取并打印整數數組。

套接字的使用及其類型

套接字是一種網絡通信機制，可以用于不同計算機之間的進程通信。在 Python 中，可以使用 socket 模塊來創建套接字。

套接字類型分為兩種：流套接字和數據報套接字。

1、流套接字

流套接字是一種基于 TCP 協議的套接字，可以實現可靠的面向連接的數據傳輸，適用于大量數據傳輸和長時間連接。在 Python 中，可以使用 socket 模塊中的 socket 類來創建流套接字。

下面是一個使用流套接字實現進程間通信的示例：

import socketHOST = 'localhost'PORT = 5000def sender():    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:        s.connect((HOST, PORT))        s.sendall(b'Hello, receiver!')def receiver():    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:        s.bind((HOST, PORT))        s.listen()        conn, addr = s.accept()        with conn:            data = conn.recv(1024)            print(data)if __name__ == '__main__':    p1 = multiprocessing.Process(target=sender)    p2 = multiprocessing.Process(target=receiver)    p1.start()    p2.start()    p1.join()    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向流套接字中寫入消息，p2 從流套接字中讀取并打印消息。

2、數據報套接字

數據報套接字是一種基于 UDP 協議的套接字，可以實現無連接的數據傳輸，適用于少量數據傳輸和短時間連接。在 Python 中，可以使用 socket 模塊中的 socket 類來創建數據報套接字。

下面是一個使用數據報套接字實現進程間通信的示例：

import socketHOST = 'localhost'PORT = 5000def sender():    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as s:        s.sendto(b'Hello, receiver!', (HOST, PORT))def receiver():    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as s:        s.bind((HOST, PORT))        data, addr = s.recvfrom(1024)        print(data)if __name__ == '__main__':    p1 = multiprocessing.Process(target=sender)    p2 = multiprocessing.Process(target=receiver)    p1.start()    p2.start()    p1.join()    p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向數據報套接字中寫入消息，p2 從數據報套接字中讀取并打印消息。

手動實現進程間通信

除了使用 Python 提供的多進程通信機制之外，還可以手動實現進程間通信。在 Python 中，可以使用共享內存和信號量來手動實現進程間通信。

下面是一個使用共享內存和信號量手動實現進程間通信的示例：

import multiprocessingimport mmapimport osimport signalimport timedef sender(data, sem):    time.sleep(1)    sem.acquire()    data.seek(0)    data.write(b'Hello, receiver!')    sem.release()def receiver(data, sem):    sem.acquire()    data.seek(0)    print(data.read())    sem.release()if __name__ == '__main__':    with multiprocessing.shared_memory() as mem:        with mmap.mmap(mem.fd, mem.size) as data:            data.write(b'/0' * mem.size)            sem = multiprocessing.Semaphore(1)            p1 = multiprocessing.Process(target=sender, args=(data, sem))            p2 = multiprocessing.Process(target=receiver, args=(data, sem))            p1.start()            p2.start()            p1.join()            p2.join()

在上述代碼中，創建了兩個進程 p1 和 p2，p1 向共享內存中寫入消息，p2 從共享內存中讀取并打印消息。使用信號量來保證共享內存的互斥訪問。

總結

本文介紹了 Python 中常用的多線程和進程通信機制。這些機制可以滿足不同線程間的數據傳輸需要，應根據具體場景選擇合適的通信機制。

本文鏈接：http://www.tebozhan.com/showinfo-26-148-0.htmlPython異步IO編程的進程/線程通信實現

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一、 Python 中線程間通信的實現方式

共享變量

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queue 模塊中的隊列

1、文件隊列

2、內存隊列

二、Python 中進程間通信的實現方式

管道的使用及其類型

1、匿名管道

2、命名管道

multiprocessing 模塊中隊列的使用及其類型

普通隊列

優先級隊列

共享內存的使用及其類型

1、基本類型

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