python调用外部子进程,通过管道实现异步标准输入和输出的

我们通常会遇到这样的需求:通过C++或其他较底层的语言实现了一个复杂的功能模块,需要搭建一个基于Web的Demo,方法查询数据。由于Python语言的强大和简洁,其用来搭建Demo非常合适,Flask框架和jinja2模块功能为python提供了方便的web开发能力。同时,python能够很方便的同其他语言的代码交互。因此我们选择python作为开发Demo的工具。假设我们需要调用的模块(提供底层服务)通过标准输入循环读入数据,处理完毕后把结果写出到标出输出,这样的场景在Linux环境下很常见,依赖于Linux强大的重定向能力。然而,非常不幸的是,底层模块有一个很重的初始化过程,因此我们不能够每次查询请求都去重新生成调用底层模块的子进程。解决方案就是只生成一次子进程,然后对每个请求通过管道(pipe)来和子进程交互。

Python的subprocess模块可以很容易地生成子进程,类似Linux系统调用fork和exec。subprocess模块的Popen对象可能以非阻塞的方式调用外部可执行程序,因此我们使用Poen对象来实现需求。如果我们想要把数据写入子进程的标准输入stdin,那么在创建Popen对象的时候就需要指定参数stdin为subprocess.PIPE;同样,如果我们需要从子进程的标准输出中读取数据,那么在创建Popen对象的时候就需要指定参数stdout为subprocess.PIPE。先看一个简单的例子:

from subprocess import Popen, PIPE
p = Popen('less', stdin=PIPE, stdout=PIPE)
p.communicate('Line number %d.\n' % x)

communicate函数返回一个二元组(stdoutdata, stderrdata),包含了子进程的标准输出和标出错误的输出数据。然而,由于Popen对象的communicate函数会阻塞父进程,同时还会关闭管道,因此每个Popen对象只能调用一次communicate函数,如果有多个请求必须重新生成Popen对象(重新初始化子进程),不能满足我们的需求。

因此,我们只有往Popen对象的stdin和stdout对象里写入和读取数据才能实现我们的需求。然而,不幸的是subprocess模块默认情况下只运行在子进程结束的时候读取一次标准输出。Both subprocess and os.popen* only allow input and output one time, and the output to be read only when the process terminates. 

进过一番研究之后我发现通过fcntl模块的fcntl函数可以把子进程的标准输出改为非阻塞的方式,从而达到我们的目的。这样困扰我许久的问题终于得到了完美解决。代码如下:

#!/usr/bin/python                                                                                                                                                      
# -*- coding: utf-8 -*-
# author: weisu.yxd@taobao.com
from subprocess import Popen, PIPE
import fcntl, os
import time
class Server(object):
  def __init__(self, args, server_env = None):
    if server_env:
      self.process = Popen(args, stdin=PIPE, stdout=PIPE, stderr=PIPE, env=server_env)
    else:
      self.process = Popen(args, stdin=PIPE, stdout=PIPE, stderr=PIPE)
    flags = fcntl.fcntl(self.process.stdout, fcntl.F_GETFL)
    fcntl.fcntl(self.process.stdout, fcntl.F_SETFL, flags | os.O_NONBLOCK)
  def send(self, data, tail = '\n'):
    self.process.stdin.write(data + tail)
    self.process.stdin.flush()
  def recv(self, t=.1, e=1, tr=5, stderr=0):
    time.sleep(t)
    if tr < 1:
        tr = 1 
    x = time.time()+t
    r = ''
    pr = self.process.stdout
    if stderr:
      pr = self.process.stdout
    while time.time() < x or r:
        r = pr.read()
        if r is None:
            if e:
                raise Exception(message)
            else:
                break
        elif r:
            return r.rstrip()
        else:
            time.sleep(max((x-time.time())/tr, 0))
    return r.rstrip()
if __name__ == "__main__":
  ServerArgs = ['/home/weisu.yxd/QP/trunk/bin/normalizer', '/home/weisu.yxd/QP/trunk/conf/stopfile.txt']
  server = Server(ServerArgs)
  test_data = '在云端', '云梯', '摩萨德', 'Alisa', 'iDB', '阿里大数据'
  for x in test_data:
    server.send(x)
    print x, server.recv()

 另外,调用一些外部程序时,可能需要指定相应的环境变量,方式如下:

  my_env = os.environ
  my_env["LD_LIBRARY_PATH"] = "/path/to/lib"
  server = server.Server(cmd, my_env)


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