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简析Python中的四种队列

简析Python中的四种队列

队列是一种只允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表。

在Python文档中搜索队列（queue）会发现，Python标准库中包含了四种队列，分别是queue.Queue / asyncio.Queue / multiprocessing.Queue / collections.deque。


collections.deque


deque是双端队列（double-ended queue）的缩写，由于两端都能编辑，deque既可以用来实现栈（stack）也可以用来实现队列（queue）。

deque支持丰富的操作方法，主要方法如图：


相比于list实现的队列，deque实现拥有更低的时间和空间复杂度。list实现在出队（pop）和插入（insert）时的空间复杂度大约为O(n)，deque在出队（pop）和入队（append）时的时间复杂度是O(1)。

deque也支持in操作符，可以使用如下写法：


q = collections.deque([1, 2, 3, 4])
print(5 in q)  # False
print(1 in q)  # True



deque还封装了顺逆时针的旋转的方法：rotate。


# 顺时针
q = collections.deque([1, 2, 3, 4])
q.rotate(1)
print(q)  # [4, 1, 2, 3]
q.rotate(1)
print(q)  # [3, 4, 1, 2]

# 逆时针
q = collections.deque([1, 2, 3, 4])
q.rotate(-1)
print(q)  # [2, 3, 4, 1]
q.rotate(-1)
print(q)  # [3, 4, 1, 2]


线程安全方面，通过查看collections.deque中的append()、pop()等方法的源码可以知道，他们都是原子操作，所以是GIL保护下的线程安全方法。


static PyObject *
deque_append(dequeobject *deque, PyObject *item) { 
    Py_INCREF(item);
    if (deque_append_internal(deque, item, deque->maxlen) < 0) 
        return NULL;
    Py_RETURN_NONE;
}



通过dis方法可以看到，append是原子操作（一行字节码）。



综上，collections.deque是一个可以方便实现队列的数据结构，具有线程安全的特性，并且有很高的性能。


queue.Queue & asyncio.Queue


queue.Queue和asyncio.Queue都是支持多生产者、多消费者的队列，基于collections.deque，他们都提供了Queue（FIFO队列）、PriorityQueue（优先级队列）、LifoQueue（LIFO队列），接口方面也相同。

区别在于queue.Queue适用于多线程的场景，asyncio.Queue适用于协程场景下的通信，由于asyncio的加成，queue.Queue下的阻塞接口在asyncio.Queue中则是以返回协程对象的方式执行，具体差异如下表：

multiprocessing.Queue


multiprocessing提供了三种队列，分别是Queue、SimpleQueue、JoinableQueue。



multiprocessing.Queue既是线程安全也是进程安全的，相当于queue.Queue的多进程克隆版。和threading.Queue很像，multiprocessing.Queue支持put和get操作，底层结构是multiprocessing.Pipe。

multiprocessing.Queue底层是基于Pipe构建的，但是数据传递时并不是直接写入Pipe，而是写入进程本地buffer，通过一个feeder线程写入底层Pipe，这样做是为了实现超时控制和非阻塞put/get，所以Queue提供了join_thread、cancel_join_thread、close函数来控制feeder的行为，close函数用来关闭feeder线程、join_thread用来join feeder线程，cancel_join_thread用来在控制在进程退出时，不自动join feeder线程，使用cancel_join_thread有可能导致部分数据没有被feeder写入Pipe而导致的数据丢失。

和threading.Queue不同的是，multiprocessing.Queue默认不支持join()和task_done操作，这两个支持需要使用mp.JoinableQueue对象。

SimpleQueue是一个简化的队列，去掉了Queue中的buffer，没有了使用Queue可能出现的问题，但是put和get方法都是阻塞的并且没有超时控制。


总结


通过对比可以发现，上述四种结构都实现了队列，但是用处却各有偏重，collections.deque在数据结构层面实现了队列，但是并没有应用场景方面的支持，可以看做是一个基础的数据结构。queue模块实现了面向多生产线程、多消费线程的队列，asyncio.queue模块则实现了面向多生产协程、多消费协程的队列，而multiprocessing.queue模块实现了面向多成产进程、多消费进程的队列。


参考


docs.python.org/3/libra
https://docs.python.org/3/library/queue.html
https://docs.python.org/3/library/asyncio-queue.html
docs.python.org/3/libra
bugs.python.org/issue15
blog.ftofficer.com/2009
cyrusin.github.io/2016/

编辑于 2018-05-21 14:28
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