Python collections.deque雙邊隊列的原理

這篇文章將為大家詳細講解有關Python collections.deque雙邊隊列的原理，文章內容質量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

隊列是一種只允許在一端進行插入操作，而在另一端進行刪除操作的線性表。

在Python文檔中搜索隊列（queue）會發現，Python標準庫中包含了四種隊列，分別是queue.Queue / asyncio.Queue / multiprocessing.Queue / collections.deque。

collections.deque

deque是雙端隊列（double-ended queue）的縮寫，由于兩端都能編輯，deque既可以用來實現棧（stack）也可以用來實現隊列（queue）。

deque支持豐富的操作方法，主要方法如圖：

相比于list實現的隊列，deque實現擁有更低的時間和空間復雜度。list實現在出隊（pop）和插入（insert）時的空間復雜度大約為O(n)，deque在出隊（pop）和入隊（append）時的時間復雜度是O(1)。

deque也支持in操作符，可以使用如下寫法：

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

deque還封裝了順逆時針的旋轉的方法：rotate。

# 順時針
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]

# 逆時針
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]

線程安全方面，通過查看collections.deque中的append()、pop()等方法的源碼可以知道，他們都是原子操作，所以是GIL保護下的線程安全方法。

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;
}

通過dis方法可以看到，append是原子操作（一行字節碼）。

綜上，collections.deque是一個可以方便實現隊列的數據結構，具有線程安全的特性，并且有很高的性能。

queue.Queue & asyncio.Queue

queue.Queue和asyncio.Queue都是支持多生產者、多消費者的隊列，基于collections.deque，他們都提供了Queue（FIFO隊列）、PriorityQueue（優先級隊列）、LifoQueue（LIFO隊列），接口方面也相同。

區別在于queue.Queue適用于多線程的場景，asyncio.Queue適用于協程場景下的通信，由于asyncio的加成，queue.Queue下的阻塞接口在asyncio.Queue中則是以返回協程對象的方式執行，具體差異如下表：

multiprocessing.Queue

multiprocessing提供了三種隊列，分別是Queue、SimpleQueue、JoinableQueue。

multiprocessing.Queue既是線程安全也是進程安全的，相當于queue.Queue的多進程克隆版。和threading.Queue很像，multiprocessing.Queue支持put和get操作，底層結構是multiprocessing.Pipe。

multiprocessing.Queue底層是基于Pipe構建的，但是數據傳遞時并不是直接寫入Pipe，而是寫入進程本地buffer，通過一個feeder線程寫入底層Pipe，這樣做是為了實現超時控制和非阻塞put/get，所以Queue提供了join_thread、cancel_join_thread、close函數來控制feeder的行為，close函數用來關閉feeder線程、join_thread用來join feeder線程，cancel_join_thread用來在控制在進程退出時，不自動join feeder線程，使用cancel_join_thread有可能導致部分數據沒有被feeder寫入Pipe而導致的數據丟失。

和threading.Queue不同的是，multiprocessing.Queue默認不支持join()和task_done操作，這兩個支持需要使用mp.JoinableQueue對象。

SimpleQueue是一個簡化的隊列，去掉了Queue中的buffer，沒有了使用Queue可能出現的問題，但是put和get方法都是阻塞的并且沒有超時控制。

關于Python collections.deque雙邊隊列的原理就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。