Cẩm nang toàn diện mô-đun queue Python: từ cơ bản đến nâng cao

1. Queue trong Python là gì?

Khái niệm cơ bản về hàng đợi

• Lập lịch tác vụ: Thực thi lần lượt các tác vụ được bắt đầu trước.
• Buffering: Lưu trữ một lượng nhất định dữ liệu luồng trong hàng đợi và xử lý lần lượt.
• Giao tiếp giữa nhiều luồng: Khi nhiều luồng xử lý dữ liệu đồng thời, có thể dùng hàng đợi để quản lý thứ tự của dữ liệu.

2. Các mục đích sử dụng hàng đợi trong Python

Các cách sử dụng phổ biến của hàng đợi

• Lập lịch tác vụ: Khi cần xử lý nhiều tác vụ theo thứ tự, đây là một trong những phương pháp tối ưu. Ví dụ, khi máy chủ web nhận rất nhiều yêu cầu, ta thêm lần lượt các yêu cầu này vào hàng đợi và xử lý theo thứ tự để sử dụng tài nguyên hiệu quả.
• Đệm dữ liệu: Đóng vai trò như một bộ đệm, tạm thời lưu dữ liệu khi xử lý luồng, giữ lại cho đến khi quá trình xử lý bắt kịp. Chẳng hạn, hữu ích trong phát video trực tuyến và xử lý dữ liệu thời gian thực.
• Chia sẻ dữ liệu giữa nhiều luồng: Hàng đợi có thể được dùng như một công cụ để trao đổi dữ liệu an toàn giữa các luồng khác nhau. Trong các chương trình đa luồng, bạn có thể dùng hàng đợi để phân bổ tác vụ giữa các luồng.

3. queue – Tổng quan về mô-đun

Mô tả các lớp

1. Queue（Hàng đợi FIFO）
   • Đây là hàng đợi cơ bản nhất; phần tử được thêm vào trước sẽ được lấy ra trước. Áp dụng cơ chế FIFO (First In, First Out).
   • Ví dụ：
   import queue q = queue.Queue() q.put("task1") q.put("task2") print(q.get()) ## sẽ in ra "task1"
2. LifoQueue（Hàng đợi LIFO）
   • Giống như ngăn xếp, phần tử được thêm vào cuối cùng sẽ được lấy ra trước. Áp dụng cơ chế LIFO (Last In, First Out).
   • Ví dụ：
   import queue q = queue.LifoQueue() q.put("task1") q.put("task2") print(q.get()) ## sẽ in ra "task2"
3. PriorityQueue（Hàng đợi ưu tiên）
   • Các phần tử được lấy ra dựa trên mức ưu tiên. Giá trị càng nhỏ thì mức ưu tiên càng cao.
   • Ví dụ： import queue q = queue.PriorityQueue() q.put((1, "task1")) q.put((3, "task3")) q.put((2, "task2")) print(q.get()) ## sẽ in ra "(1, 'task1')"

4. Cách triển khai hàng đợi FIFO

Cách sử dụng cơ bản

import queue

## Tạo hàng đợi FIFO
q = queue.Queue()

## Thêm phần tử vào hàng đợi
q.put("apple")
q.put("banana")
q.put("cherry")

## Lấy phần tử ra khỏi hàng đợi
while not q.empty():
    print(q.get())

Ví dụ thực tế

5. Thao tác hàng đợi nâng cao

Các phương thức của hàng đợi

1. qsize()
   • Trả về số phần tử đang được lưu trong hàng đợi. Hữu ích để kiểm tra xem hàng đợi có rỗng hay không.
   • Ví dụ sử dụng:
   q = queue.Queue() q.put("task1") print(q.qsize()) ## 1 sẽ được in ra
2. empty()
   • Xác định hàng đợi có rỗng hay không. Trả về True hoặc False.
   • Ví dụ sử dụng:
   q = queue.Queue() print(q.empty()) ## True sẽ được in ra
3. full()
   • Xác định hàng đợi đã đầy hay chưa. Chỉ có hiệu lực khi maxsize được thiết lập.
   • Ví dụ sử dụng:
   q = queue.Queue(maxsize=2) q.put("task1") q.put("task2") print(q.full()) ## True sẽ được in ra
4. put(item)
   • Thêm một mục vào hàng đợi. Mặc định block=True, có thể dẫn đến chặn. Cũng có thể chỉ định thời gian chờ để giới hạn xử lý.
   • Ví dụ sử dụng:
   q = queue.Queue() q.put("task1")
5. get()
   • Lấy một mục từ hàng đợi. Nếu không có mục nào, khi block=True sẽ chờ cho đến khi có mục được thêm vào.
   • Ví dụ sử dụng: q = queue.Queue() q.put("task1") task = q.get() print(task) ## "task1" sẽ được in ra

6. Xử lý ngoại lệ trong hàng đợi

Xử lý ngoại lệ của hàng đợi

1. queue.Full
   • Phát sinh khi gọi put() trong lúc hàng đợi đã đầy.
   • Ví dụ xử lý ngoại lệ:
   try: q.put("task", block=False) except queue.Full: print("Hàng đợi đã đầy")
2. queue.Empty
   • Phát sinh khi gọi get() trong lúc hàng đợi trống.
   • Ví dụ xử lý ngoại lệ: try: task = q.get(block=False) except queue.Empty: print("Hàng đợi trống")

7. Sử dụng hàng đợi trong đa luồng của Python

Quản lý tác vụ trong môi trường đa luồng

import queue
import threading

## Tạo hàng đợi
q = queue.Queue()

## Định nghĩa luồng worker
def worker():
    while True:
        item = q.get()
        print(f"Đang xử lý: {item}")
        q.task_done()

## Khởi chạy luồng
threading.Thread(target=worker, daemon=True).start()

## Thêm tác vụ vào hàng đợi
for item in range(5):
    q.put(item)

## Chờ tất cả tác vụ hoàn tất
q.join()
print("Tất cả các tác vụ đã hoàn thành")

8. Sử dụng hàng đợi có giới hạn (Bounded Queue)

Hàng đợi có giới hạn là gì?

1. Hành vi khi không thể thêm phần tử Khi hàng đợi đã đầy mà bạn cố gắng thêm phần tử mới, hệ thống sẽ thực thi hành vi tương ứng với dung lượng của hàng đợi. Hai hành vi phổ biến là:

• Từ chối phần tử mới：Khi hàng đợi đầy, nó sẽ không nhận thêm phần tử nào nữa và việc thêm phần tử mới bị từ chối.
• Ghi đè phần tử cũ：Loại bỏ phần tử cũ nhất trong hàng đợi và thêm phần tử mới vào.

1. Quản lý tài nguyên Hàng đợi có giới hạn được dùng để quản lý hiệu quả các tài nguyên (như bộ nhớ và CPU). Nó giúp tránh lãng phí tài nguyên và hữu ích khi xử lý tác vụ trong phạm vi giới hạn.

Ví dụ sử dụng

import queue

## Tạo hàng đợi có giới hạn
q = queue.Queue(maxsize=3)

## Thêm phần tử vào hàng đợi
q.put("task1")
q.put("task2")
q.put("task3")

## Nếu cố gắng thêm nữa, sẽ bị chặn hoặc phát sinh ngoại lệ
try:
    q.put_nowait("task4")
except queue.Full:
    print("Hàng đợi đã đầy")

9. Kết luận