คู่มือโมดูล queue ใน Python: จากพื้นฐานสู่ขั้นสูง

1. คิวใน Python คืออะไร?

แนวคิดพื้นฐานของคิว

• การจัดตารางงาน: ดำเนินการงานที่เริ่มก่อนตามลำดับ
• การบัฟเฟอร์: เก็บข้อมูลสตรีมไว้ในคิวเป็นจำนวนหนึ่ง แล้วประมวลผลตามลำดับ
• การสื่อสารระหว่างเธรดหลายตัว: เมื่อหลายเธรดประมวลผลข้อมูลพร้อมกัน สามารถใช้คิวเพื่อจัดการลำดับของข้อมูลได้

2. การใช้งานคิวใน Python

การใช้งานทั่วไปของคิว

• การจัดตารางงาน: เป็นหนึ่งในวิธีที่เหมาะที่สุดเมื่อจำเป็นต้องประมวลผลงานหลายงานตามลำดับ ตัวอย่างเช่น เมื่อเว็บเซิร์ฟเวอร์ได้รับคำขอจำนวนมาก สามารถเพิ่มคำขอเหล่านี้ลงในคิวทีละรายการและประมวลผลตามลำดับ เพื่อใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ
• การบัฟเฟอร์ข้อมูล: ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์เพื่อเก็บข้อมูลชั่วคราวระหว่างการประมวลผลแบบสตรีม จนกว่าการประมวลผลจะตามทัน ตัวอย่างเช่น มีประโยชน์ในงานสตรีมวิดีโอหรือการประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์
• การแชร์ข้อมูลระหว่างหลายเธรด: คิวสามารถใช้เป็นเครื่องมือสำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างเธรดต่างๆ ได้อย่างปลอดภัย ในโปรแกรมแบบมัลติเธรด สามารถใช้คิวเพื่อมอบหมายงานระหว่างเธรดได้

3. queue โมดูล: ภาพรวม

คำอธิบายคลาส

1. Queue（คิวแบบ FIFO）
   • เป็นคิวพื้นฐานที่สุด รายการที่ถูกเพิ่มก่อนจะถูกนำออกก่อน ใช้รูปแบบ FIFO (First In, First Out)
   • ตัวอย่างการใช้งาน:
   import queue q = queue.Queue() q.put("task1") q.put("task2") print(q.get()) ## จะแสดง "task1"
2. LifoQueue（คิวแบบ LIFO）
   • ทำงานเหมือนสแตก รายการที่ถูกเพิ่มล่าสุดจะถูกนำออกก่อน ใช้รูปแบบ LIFO (Last In, First Out)
   • ตัวอย่างการใช้งาน:
   import queue q = queue.LifoQueue() q.put("task1") q.put("task2") print(q.get()) ## จะแสดง "task2"
3. PriorityQueue（คิวแบบลำดับความสำคัญ）
   • ดึงรายการตามลำดับความสำคัญ ค่ายิ่งต่ำยิ่งถือว่ามีความสำคัญสูงกว่า
   • ตัวอย่างการใช้งาน: import queue q = queue.PriorityQueue() q.put((1, "task1")) q.put((3, "task3")) q.put((2, "task2")) print(q.get()) ## จะแสดง "(1, 'task1')"

4. วิธีการนำคิวแบบ FIFO ไปใช้งาน

วิธีใช้งานพื้นฐาน

import queue

## การสร้างคิวแบบ FIFO
q = queue.Queue()

## เพิ่มรายการลงในคิว
q.put("apple")
q.put("banana")
q.put("cherry")

## ดึงรายการออกจากคิว
while not q.empty():
    print(q.get())

ตัวอย่างการใช้งานจริง

5. การใช้งานคิวขั้นสูง

เมธอดของคิว

1. qsize()
   • ส่งคืนจำนวนองค์ประกอบที่เก็บอยู่ในคิว สะดวกสำหรับตรวจสอบว่าคิวว่างหรือไม่
   • ตัวอย่างการใช้งาน:
   q = queue.Queue() q.put("task1") print(q.qsize()) ## จะแสดงผลเป็น 1
2. empty()
   • ตรวจสอบว่าคิวว่างหรือไม่ จะส่งคืน True หรือ False
   • ตัวอย่างการใช้งาน:
   q = queue.Queue() print(q.empty()) ## จะแสดงผลเป็น True
3. full()
   • ตรวจสอบว่าคิวเต็มหรือไม่ มีผลเมื่อมีการกำหนด maxsize
   • ตัวอย่างการใช้งาน:
   q = queue.Queue(maxsize=2) q.put("task1") q.put("task2") print(q.full()) ## จะแสดงผลเป็น True
4. put(item)
   • เพิ่มรายการลงในคิว โดยปกติตั้งค่า block=True ไว้ ซึ่งอาจทำให้บล็อกได้ และสามารถกำหนดค่า timeout เพื่อจำกัดการทำงานได้
   • ตัวอย่างการใช้งาน:
   q = queue.Queue() q.put("task1")
5. get()
   • ดึงรายการออกจากคิว หากไม่มีรายการอยู่และกำหนด block=True จะรอจนกว่าจะมีการเพิ่มรายการ
   • ตัวอย่างการใช้งาน: q = queue.Queue() q.put("task1") task = q.get() print(task) ## จะแสดงผลเป็น "task1"

6. การจัดการข้อยกเว้นในคิว

การจัดการข้อยกเว้นของคิว

1. queue.Full
   • จะเกิดขึ้นเมื่อเรียก put() ขณะที่คิวเต็ม
   • ตัวอย่างการจัดการข้อยกเว้น:
   try: q.put("task", block=False) except queue.Full: print("คิวเต็ม")
2. queue.Empty
   • จะเกิดขึ้นเมื่อเรียก get() ขณะที่คิวว่างเปล่า
   • ตัวอย่างการจัดการข้อยกเว้น: try: task = q.get(block=False) except queue.Empty: print("คิวว่าง")

7. การใช้คิวในมัลติเธรดของ Python

การจัดการงานในมัลติเธรด

import queue
import threading

## การสร้างคิว
q = queue.Queue()

## กำหนดเธรดทำงาน (worker thread)
def worker():
    while True:
        item = q.get()
        print(f"กำลังประมวลผล: {item}")
        q.task_done()

## เริ่มเธรด
threading.Thread(target=worker, daemon=True).start()

## เพิ่มงานลงในคิว
for item in range(5):
    q.put(item)

## รอให้งานทั้งหมดเสร็จสิ้น
q.join()
print("งานทั้งหมดเสร็จสิ้นแล้ว")

8. การใช้คิวแบบมีขีดจำกัด (Bounded Queue)

คิวแบบมีขีดจำกัดคืออะไร?

1. พฤติกรรมเมื่อไม่สามารถเพิ่มไอเทมได้ เมื่อคิวเต็มและพยายามเพิ่มไอเทมใหม่ จะเกิดพฤติกรรมตามที่กำหนดไว้ตามความจุของคิว พฤติกรรมทั่วไปมีอยู่ 2 แบบดังนี้。

• ปฏิเสธไอเทมใหม่：เมื่อคิวเต็ม จะไม่รับไอเทมเพิ่มเติม และการเพิ่มไอเทมใหม่จะถูกปฏิเสธ。
• เขียนทับไอเทมเก่า：ลบไอเทมที่เก่าที่สุดในคิว แล้วเพิ่มไอเทมใหม่เข้าแทนที่。

1. การจัดการทรัพยากร คิวแบบมีขีดจำกัดถูกใช้เพื่อจัดการทรัพยากร (หน่วยความจำและ CPU เป็นต้น) อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยหลีกเลี่ยงการใช้ทรัพยากรอย่างสูญเปล่า และเป็นประโยชน์เมื่อประมวลผลงานภายในขอบเขตที่จำกัด。

ตัวอย่างการใช้งาน

import queue

## สร้างคิวแบบมีขีดจำกัด
q = queue.Queue(maxsize=3)

## เพิ่มไอเทมลงในคิว
q.put("task1")
q.put("task2")
q.put("task3")

## หากพยายามเพิ่มไอเทมเพิ่มเติม อาจบล็อกหรือเกิดข้อยกเว้น
try:
    q.put_nowait("task4")
except queue.Full:
    print("คิวเต็มแล้ว")

9. บทสรุป