怎么使用ZeroMQ消息庫在C和Python間共享數據

本篇內容介紹了“怎么使用ZeroMQ消息庫在C和Python間共享數據”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

ZeroMQ 提供了一個更簡單的過程：

1. 編寫一小段 C 代碼，從硬件讀取數據，然后把發現的東西作為消息發送出去。

2. 使用 Python 編寫接口，實現新舊基礎設施之間的對接。

Pieter Hintjens 是 ZeroMQ 項目發起者之一，他是個擁有 有趣視角和作品 的非凡人物。

準備

本教程中，需要：

• 一個 C 編譯器（例如 GCC 或 Clang）

• libzmq 庫

• Python 3

• ZeroMQ 的 Python 封裝

Fedora 系統上的安裝方法：

$ dnf install clang zeromq zeromq-devel python3 python3-zmq

Debian 和 Ubuntu 系統上的安裝方法：

$ apt-get install clang libzmq5 libzmq3-dev python3 python3-zmq

如果有問題，參考對應項目的安裝指南（上面附有鏈接）。

編寫硬件接口庫

因為這里針對的是個設想的場景，本教程虛構了包含兩個函數的操作庫：

• fancyhw_init() 用來初始化（設想的）硬件

• fancyhw_read_val() 用于返回從硬件讀取的數據

將庫的完整代碼保存到文件 libfancyhw.h 中:

#ifndef LIBFANCYHW_H#define LIBFANCYHW_H #include <stdlib.h>#include <stdint.h> // This is the fictitious hardware interfacing library void fancyhw_init(unsigned int init_param){    srand(init_param);} int16_t fancyhw_read_val(void){    return (int16_t)rand();} #endif

這個庫可以模擬你要在不同語言實現的組件間交換的數據，中間有個隨機數發生器。

設計 C 接口

下面從包含管理數據傳輸的庫開始，逐步實現 C 接口。

需要的庫

開始先加載必要的庫（每個庫的作用見代碼注釋）：

// For printf()#include <stdio.h>// For EXIT_*#include <stdlib.h>// For memcpy()#include <string.h>// For sleep()#include <unistd.h> #include <zmq.h> #include "libfancyhw.h"

必要的參數

定義 main 函數和后續過程中必要的參數：

int main(void){    const unsigned int INIT_PARAM = 12345;    const unsigned int REPETITIONS = 10;    const unsigned int PACKET_SIZE = 16;    const char *TOPIC = "fancyhw_data";     ...

初始化

所有的庫都需要初始化。虛構的那個只需要一個參數：

fancyhw_init(INIT_PARAM);

ZeroMQ 庫需要實打實的初始化。首先，定義對象 context，它是用來管理全部的套接字的：

void *context = zmq_ctx_new(); if (!context){    printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno));     return EXIT_FAILURE;}

之后定義用來發送數據的套接字。ZeroMQ 支持若干種套接字，各有其用。使用 publish 套接字（也叫 PUB 套接字），可以復制消息并分發到多個接收端。這使得你可以讓多個接收端接收同一個消息。沒有接收者的消息將被丟棄（即不會入消息隊列）。用法如下：

void *data_socket = zmq_socket(context, ZMQ_PUB);

套接字需要綁定到一個具體的地址，這樣客戶端就知道要連接哪里了。本例中，使用了 TCP 傳輸層（當然也有 其它選項，但 TCP 是不錯的默認選擇）：

const int rb = zmq_bind(data_socket, "tcp://*:5555"); if (rb != 0){    printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno));     return EXIT_FAILURE;}

下一步, 計算一些后續要用到的值。 注意下面代碼中的 TOPIC，因為 PUB 套接字發送的消息需要綁定一個主題。主題用于供接收者過濾消息：

const size_t topic_size = strlen(TOPIC);const size_t envelope_size = topic_size + 1 + PACKET_SIZE * sizeof(int16_t); printf("Topic: %s; topic size: %zu; Envelope size: %zu\n", TOPIC, topic_size, envelope_size);

發送消息

啟動一個發送消息的循環，循環 REPETITIONS 次：

for (unsigned int i = 0; i < REPETITIONS; i++){    ...

發送消息前，先填充一個長度為 PACKET_SIZE 的緩沖區。本庫提供的是 16 個位的有符號整數。因為 C 語言中 int 類型占用空間大小與平臺相關，不是確定的值，所以要使用指定寬度的 int 變量：

int16_t buffer[PACKET_SIZE]; for (unsigned int j = 0; j < PACKET_SIZE; j++){    buffer[j] = fancyhw_read_val();} printf("Read %u data values\n", PACKET_SIZE);

消息的準備和發送的第一步是創建 ZeroMQ 消息，為消息分配必要的內存空間。空白的消息是用于封裝要發送的數據的：

zmq_msg_t envelope; const int rmi = zmq_msg_init_size(&envelope, envelope_size);if (rmi != 0){    printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_init_size(): %s\n", zmq_strerror(errno));     zmq_msg_close(&envelope);     break;}

現在內存空間已分配，數據保存在 ZeroMQ 消息 “信封”中。函數 zmq_msg_data() 返回一個指向封裝數據緩存區頂端的指針。第一部分是主題，之后是一個空格，最后是二進制數。主題和二進制數據之間的分隔符采用空格字符。需要遍歷緩存區的話，使用類型轉換和 指針算法。（感謝 C 語言，讓事情變得直截了當。）做法如下：

memcpy(zmq_msg_data(&envelope), TOPIC, topic_size);memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + topic_size), " ", 1);memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + 1 + topic_size), buffer, PACKET_SIZE * sizeof(int16_t))

通過 data_socket 發送消息：

const size_t rs = zmq_msg_send(&envelope, data_socket, 0);if (rs != envelope_size){    printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_send(): %s\n", zmq_strerror(errno));     zmq_msg_close(&envelope);     break;}

使用數據之前要先解除封裝：

zmq_msg_close(&envelope); printf("Message sent; i: %u, topic: %s\n", i, TOPIC);

清理

C 語言不提供 垃圾收集 功能，用完之后記得要自己掃尾。發送消息之后結束程序之前，需要運行掃尾代碼，釋放分配的內存:

const int rc = zmq_close(data_socket); if (rc != 0){    printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_close(): %s\n", zmq_strerror(errno));     return EXIT_FAILURE;} const int rd = zmq_ctx_destroy(context); if (rd != 0){    printf("Error occurred during zmq_ctx_destroy(): %s\n", zmq_strerror(errno));     return EXIT_FAILURE;} return EXIT_SUCCESS;

完整 C 代碼

保存下面完整的接口代碼到本地名為 hw_interface.c 的文件：

// For printf()#include <stdio.h>// For EXIT_*#include <stdlib.h>// For memcpy()#include <string.h>// For sleep()#include <unistd.h> #include <zmq.h> #include "libfancyhw.h" int main(void){    const unsigned int INIT_PARAM = 12345;    const unsigned int REPETITIONS = 10;    const unsigned int PACKET_SIZE = 16;    const char *TOPIC = "fancyhw_data";     fancyhw_init(INIT_PARAM);     void *context = zmq_ctx_new();     if (!context)    {        printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno));         return EXIT_FAILURE;    }     void *data_socket = zmq_socket(context, ZMQ_PUB);     const int rb = zmq_bind(data_socket, "tcp://*:5555");     if (rb != 0)    {        printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno));         return EXIT_FAILURE;    }     const size_t topic_size = strlen(TOPIC);    const size_t envelope_size = topic_size + 1 + PACKET_SIZE * sizeof(int16_t);     printf("Topic: %s; topic size: %zu; Envelope size: %zu\n", TOPIC, topic_size, envelope_size);     for (unsigned int i = 0; i < REPETITIONS; i++)    {        int16_t buffer[PACKET_SIZE];         for (unsigned int j = 0; j < PACKET_SIZE; j++)        {            buffer[j] = fancyhw_read_val();        }         printf("Read %u data values\n", PACKET_SIZE);         zmq_msg_t envelope;           const int rmi = zmq_msg_init_size(&envelope, envelope_size);        if (rmi != 0)        {            printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_init_size(): %s\n", zmq_strerror(errno));               zmq_msg_close(&envelope);               break;        }               memcpy(zmq_msg_data(&envelope), TOPIC, topic_size);         memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + topic_size), " ", 1);         memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + 1 + topic_size), buffer, PACKET_SIZE * sizeof(int16_t));           const size_t rs = zmq_msg_send(&envelope, data_socket, 0);        if (rs != envelope_size)        {            printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_send(): %s\n", zmq_strerror(errno));               zmq_msg_close(&envelope);               break;        }           zmq_msg_close(&envelope);         printf("Message sent; i: %u, topic: %s\n", i, TOPIC);         sleep(1);    }     const int rc = zmq_close(data_socket);     if (rc != 0)    {        printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_close(): %s\n", zmq_strerror(errno));         return EXIT_FAILURE;    }     const int rd = zmq_ctx_destroy(context);     if (rd != 0)    {        printf("Error occurred during zmq_ctx_destroy(): %s\n", zmq_strerror(errno));         return EXIT_FAILURE;    }     return EXIT_SUCCESS;}

用如下命令編譯：

$ clang -std=c99 -I. hw_interface.c -lzmq -o hw_interface

如果沒有編譯錯誤，你就可以運行這個接口了。貼心的是，ZeroMQ PUB 套接字可以在沒有任何應用發送或接受數據的狀態下運行，這簡化了使用復雜度，因為這樣不限制進程啟動的次序。

運行該接口：

$ ./hw_interfaceTopic: fancyhw_data; topic size: 12; Envelope size: 45Read 16 data valuesMessage sent; i: 0, topic: fancyhw_dataRead 16 data valuesMessage sent; i: 1, topic: fancyhw_dataRead 16 data values......

輸出顯示數據已經通過 ZeroMQ 完成發送，現在要做的是讓一個程序去讀數據。

編寫 Python 數據處理器

現在已經準備好從 C 程序向 Python 應用傳送數據了。

庫

需要兩個庫幫助實現數據傳輸。首先是 ZeroMQ 的 Python 封裝：

$ python3 -m pip install zmq

另一個就是 struct 庫，用于解碼二進制數據。這個庫是 Python 標準庫的一部分，所以不需要使用 pip 命令安裝。

Python 程序的第一部分是導入這些庫：

import zmqimport struct

重要參數

使用 ZeroMQ 時，只能向常量 TOPIC 定義相同的接收端發送消息：

topic = "fancyhw_data".encode('ascii') print("Reading messages with topic: {}".format(topic))

初始化

下一步，初始化上下文和套接字。使用 subscribe 套接字（也稱為 SUB 套接字），它是 PUB 套接字的天生伴侶。這個套接字發送時也需要匹配主題。

with zmq.Context() as context:    socket = context.socket(zmq.SUB)     socket.connect("tcp://127.0.0.1:5555")    socket.setsockopt(zmq.SUBSCRIBE, topic)     i = 0     ...

接收消息

啟動一個無限循環，等待接收發送到 SUB 套接字的新消息。這個循環會在你按下 Ctrl+C 組合鍵或者內部發生錯誤時終止：

    try:        while True:             ... # we will fill this in next     except KeyboardInterrupt:        socket.close()    except Exception as error:        print("ERROR: {}".format(error))        socket.close()

這個循環等待 recv() 方法獲取的新消息，然后將接收到的內容從第一個空格字符處分割開，從而得到主題：

binary_topic, data_buffer = socket.recv().split(b' ', 1)

解碼消息

Python 此時尚不知道主題是個字符串，使用標準 ASCII 編解碼器進行解碼：

topic = binary_topic.decode(encoding = 'ascii') print("Message {:d}:".format(i))print("\ttopic: '{}'".format(topic))

下一步就是使用 struct 庫讀取二進制數據，它可以將二進制數據段轉換為明確的數值。首先，計算數據包中數值的組數。本例中使用的 16 個位的有符號整數對應的是 struct 格式字符 中的 h：

packet_size = len(data_buffer) // struct.calcsize("h") print("\tpacket size: {:d}".format(packet_size))

知道數據包中有多少組數據后，就可以通過構建一個包含數據組數和數據類型的字符串，來定義格式了（比如“16h”）：

struct_format = "{:d}h".format(packet_size)

將二進制數據串轉換為可直接打印的一系列數字：

data = struct.unpack(struct_format, data_buffer) print("\tdata: {}".format(data))

完整 Python 代碼

下面是 Python 實現的完整的接收端：

#! /usr/bin/env python3 import zmqimport struct topic = "fancyhw_data".encode('ascii') print("Reading messages with topic: {}".format(topic)) with zmq.Context() as context:    socket = context.socket(zmq.SUB)     socket.connect("tcp://127.0.0.1:5555")    socket.setsockopt(zmq.SUBSCRIBE, topic)     i = 0     try:        while True:            binary_topic, data_buffer = socket.recv().split(b' ', 1)             topic = binary_topic.decode(encoding = 'ascii')             print("Message {:d}:".format(i))            print("\ttopic: '{}'".format(topic))             packet_size = len(data_buffer) // struct.calcsize("h")             print("\tpacket size: {:d}".format(packet_size))             struct_format = "{:d}h".format(packet_size)             data = struct.unpack(struct_format, data_buffer)             print("\tdata: {}".format(data))             i += 1     except KeyboardInterrupt:        socket.close()    except Exception as error:        print("ERROR: {}".format(error))        socket.close()

將上面的內容保存到名為 online_analysis.py 的文件。Python 代碼不需要編譯，你可以直接運行它。

運行輸出如下：

$ ./online_analysis.pyReading messages with topic: b'fancyhw_data'Message 0:        topic: 'fancyhw_data'        packet size: 16        data: (20946, -23616, 9865, 31416, -15911, -10845, -5332, 25662, 10955, -32501, -18717, -24490, -16511, -28861, 24205, 26568)Message 1:        topic: 'fancyhw_data'        packet size: 16        data: (12505, 31355, 14083, -19654, -9141, 14532, -25591, 31203, 10428, -25564, -732, -7979, 9529, -27982, 29610, 30475)......

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