Queue.Queue vs collections.deque

本文探讨了Python中Queue.Queue与collections.deque的区别与应用场景。Queue.Queue适用于多线程间的数据传递,提供阻塞功能;而deque则作为高效的数据结构使用,支持快速的两端操作。
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I need a queue which multiple threads can put stuff into, and multiple threads may read from.

Python has at least two queue classes, Queue.Queue and collections.deque, with the former seemingly using the latter internally. Both claim to be thread-safe in the documentation.

However, the Queue docs also state:

collections.deque is an alternative implementation of unbounded queues with fast atomic append() and popleft() operations that do not require locking.

Which I guess I don't quite unterstand: Does this mean deque isn't fully thread-safe after all?

If it is, I may not fully understand the difference between the two classes. I can see that Queue adds blocking functionality. On the other hand, it loses some deque features like support for the in-operator.

Accessing the internal deque object directly, is

x in Queue().deque

thread-safe?

Also, why does Queue employ a mutex for it's operations when deque is thread-safe already?

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RuntimeError: deque mutated during iteration is what you could be getting is using a shared deque between several thread and no locking... –  toine  Nov 7 '15 at 16:28

5 Answers

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Queue.Queue and collections.deque serve different purposes. Queue.Queue is intended for allowing different threads to communicate using queued messages/data, whereas collections.deque is simply intended as a datastructure. That's why Queue.Queue has methods like put_nowait()get_nowait(), and join(), whereas collections.dequedoesn't. Queue.Queue isn't intended to be used as a collection, which is why it lacks the likes of the in operator.

It boils down to this: if you have multiple threads and you want them to be able to communicate without the need for locks, you're looking for Queue.Queue; if you just want a queue or a double-ended queue as a datastructure, use collections.deque.

Finally, accessing and manipulating the internal deque of a Queue.Queue is playing with fire - you really don't want to be doing that.

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If you need a thread-safe queue and performance is important, deque seems a better option than Queue: see Jonathan's answer. Plus with deque you get list-like flexibility and visibility as a bonus, although that is not all thread-safe. –  fantabolous  Dec 7 '15 at 7:30
 
No, that's not a good idea at all. If you look at the source of Queue.Queue, it uses deque under the hood. collections.deque is a collection, while Queue.Queue is a communications mechanism. The overhead in Queue.Queue is to make it threadsafe. Using deque for communicating between threads will only lead to painful races. Whenever deque happens to be threadsafe, that's a happy accident of how the interpreter is implemented, and not something to be relied upon. That's why Queue.Queue exists in the first place. –  Keith Gaughan  Dec 7 '15 at 14:02 
 
The docs say deque is thread-safe for pops and appends, which are all you need for a simple queue, perhaps wrapping pops with a try: except IndexError for when it's empty. Some interpreters disobey this? It's true I stick with cpython. I use deque myself because Queue is way too slow for my purposes. docs.python.org/2/library/collections.html#deque-objects –  fantabolous  Dec 8 '15 at 1:22 
 
Just keep in mind that if you're communicating across threads, you're playing with fire by using deque. deque is threadsafe by accident due to the existence of the GIL. An GIL-less implementation will have completely different performance characteristics, so discounting other implementations isn't wise. Besides, have you timed Queue vs deque for use across threads as opposed to a naive benchmark of its use in a single thread? If your code is that sensitive to the speed of Queue vs deque, Python might not be the language you're looking for. –  Keith Gaughan  Dec 9 '15 at 17:24 
 
Ok, thanks for the info. Yes, my benchmarks are across threads. True python isn't the fastest language but I use it because of pandas. –  fantabolous  Dec 10 '15 at 5:38

If all you're looking for is a thread-safe way to transfer objects between threads, then both would work (both for FIFO and LIFO). For FIFO:

Note:

  • Other operations on deque might not be thread safe, I'm not sure.
  • deque does not block on pop() or popleft() so you can't base your consumer thread flow on blocking till a new item arrives.

However, it seems that deque has a significant efficiency advantage. Here are some benchmark results in seconds using CPython 2.7.3 for inserting and removing 100k items

deque 0.0747888759791
Queue 1.60079066852

Here's the benchmark code:

import time
import Queue
import collections

q = collections.deque()
t0 = time.clock()
for i in xrange(100000):
    q.append(1)
for i in xrange(100000):
    q.popleft()
print 'deque', time.clock() - t0

q = Queue.Queue(200000)
t0 = time.clock()
for i in xrange(100000):
    q.put(1)
for i in xrange(100000):
    q.get()
print 'Queue', time.clock() - t0
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You claim that "Other operations on deque may not be thread safe". Where do you get that from? –  Matt Apr 23 '14 at 18:28
 
@Matt - rephrased to better convey my meaning –  Jonathan  Apr 28 '14 at 21:36
1 
Ok, thanks. That was stopping me from using deque because I thought you knew something I didn't. I guess I'll just assume it's thread safe until I discover otherwise. –  Matt  Apr 29 '14 at 13:17

deque is thread-safe. "operations that do not require locking" means that you don't have to do the locking yourself, the deque takes care of it.

Taking a look at the Queue source, the internal deque is called self.queue and uses a mutex for accessors and mutations, so Queue().queue is not thread-safe to use.

If you're looking for an "in" operator, then a deque or queue is possibly not the most appropriate data structure for your problem.

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1 
Well, what I want to do is make sure that no duplicates are added to the queue. Is this not something a queue could potentially support? –  miracle2k  Apr 4 '09 at 15:06
1 
It'd probably be best to have a separate set, and update that when you add/remove something from the queue. That'll be O(log n) rather than O(n), but you'll have to be careful to keep the set and queue in sync (i.e. locking). –  brian-brazil  Apr 4 '09 at 15:41
 
A Python set is a hash table, so it would be O(1). But yes, you would still have to do locking. –  AFoglia  Jan 18 '12 at 15:27

For information there is a Python ticket referenced for deque thread-safety (https://bugs.python.org/issue15329). Title "clarify which deque methods are thread-safe"

Bottom line here: https://bugs.python.org/issue15329#msg199368

The deque's append(), appendleft(), pop(), popleft(), and len(d) operations are thread-safe in CPython. The append methods have a DECREF at the end (for cases where maxlen has been set), but this happens after all of the structure updates have been made and the invariants have been restored, so it is okay to treat these operations as atomic.

Anyway, if you are not 100% sure and you prefer reliability over performance, just put a like Lock ;)

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<think> 首先,用户的问题是关于“queue.append”的信息,包括使用方法和相关知识。我需要参考提供的站内引用,并尽可能地结合这些信息回答。 梳理引用内容: - 引用[1]:讨论Python中的双端队列(deque),提到append()和popleft()用于实现FIFO(先进先出),即右进左出。给出了一个例子:使用deque对象,append添加元素,popleft移除元素。 - 引用[2]:涉及Swift的DispatchQueue.main.async,用于UI更新。这与queue.append不太相关,但可能间接提到队列操作。 - 引用[3]:关于Python列表和元组,解释了列表是可变的,可以进行append等操作,而元组不可变。提到了列表append操作不会改变内存地址。 - 引用[4]:指出pandas中DataFrame.append()在2.0版本被移除,建议使用pd.concat()替代。这针对pandas DataFrame,不是通用的queue。 用户明确说“queue.append”,所以我需要专注于队列相关的append方法。结合引用,queue.append最直接相关的是Python的deque或队列模块。 在Python中,queue.append可能指: - 对于list:list.append() 添加元素到末尾。 - 对于collections.dequedeque.append() 添加元素到右端。 - 对于queue模块(如Queue.Queuequeue.Queue),但这不是直接的append方法;queue模块使用put()。 用户提到“queue.append”,可能指的是deque或一般队列操作。参考引用[1],它直接讨论deque.append()。 用户上一次的问题和我的回答:用户本次是第一次提问,系统指令中说“参考用户上一次的问题和你的回答”,但这里没有上一次历史记录。系统指令说“请尽可能多的参考用户上一次的问题和你的回答”,但这是第一次交互,所以可能没有上下文。我需要基于当前信息。 用户说:“我想了解queue.append的相关信息”,并提到“可能是使用方法、适用场景等”。 所以,我应该解释queue.append在常见上下文中的用法。 核心点: - 在Python中,queue.append可能用于: - deque:用于双端队列。 - 列表:但列表不是严格的队列。 标准队列实现通常使用queue模块或deque。 适用场景: - FIFO队列:使用deque.append()和deque.popleft(),如引用[1]所示。 - 其他队列类型:如LIFO栈,但append通常用于添加元素。 知识扩展: - deque是线程安全的吗?不,collections.deque不是线程安全的;如果需要线程安全,使用queue.Queue。 使用方法: - 导入deque:from collections import deque - 创建队列:q = deque() - 添加元素:q.append(item) # 添加到右端 - 移除元素:q.popleft() # 移出左端,用于FIFO 或使用appendleft和pop用于左进右出。 结合引用[3],列表的append是可变的操作。 引用[4]是关于pandas的,不直接相关。 回答结构: 系统指令要求: - 结构清晰,逐步解决问题。 - 使用中文回答。 - 行内数学表达式用$...$,独立公式用$$...$$,但这个问题可能不需要数学公式。 - 生成相关问题。 - 引用末尾添加引用标识,如[^1]。 所以,回答应包括: 1. 解释queue.append的含义。 2. 具体使用方法,基于Python。 3. 适用场景。 4. 相关知识,如线程安全、性能。 5. 生成相关问题。 引用标识:在回答中引用相关部分时加引用标识。 例如,提到deque用法时引用[^1]。 生成相关问题:如§§相关问题§§部分。 大纲回答: - 介绍queue.append:通常在队列数据结构中使用,添加元素到队列末尾。 - 在Python中的具体实现: - 使用collections.deque:q.append(item) - 使用列表:list.append(item),但列表不是高效队列。 - queue.Queue:使用put()方法,不是append。 - 使用方法示例(代码块)。 - 适用场景:如消息队列、缓冲区、FIFO数据结构。 - 相关知识:deque是高效的,线程安全考虑等。 - 结尾生成相关问题。 </think> ### queue.append 的使用方法和相关知识 queue.append 是队列数据结构中用于添加元素到队列末尾的方法。在编程中,队列通常实现为先进先出(FIFO)的数据结构,但具体实现依赖于语言和库。基于您提供的引用和我对 Python 的理解,queue.append 最常见于 Python 的 `collections.deque`(双端队列)或列表中。下面我将逐步解释其使用方法、适用场景和相关知识,确保回答真实可靠。 #### 1. queue.append 的基本含义 - queue.append 是一个操作,用于向队列的右端(尾部)添加一个元素。这与队列的 FIFO 特性一致:新元素添加在末尾,移除元素从头部开始。 - 在 Python 中: - 对于 `collections.deque`,`append()` 方法专门用于右端添加(右进)。 - 对于 Python 列表(list),`append()` 方法也可用于添加元素,但列表不是一个严格的队列实现;它更适合于栈(LIFO)或一般序列操作。 - 注意:Python 标准库中的 `queue` 模块(如 `queue.Queue`)使用 `put()` 方法添加元素,而不是 `append`;如果您看到 `queue.append`,它通常指的是 `deque` 或自定义队列实现。 - 关键点:`append()` 操作是原子性的(在单线程中),但在多线程环境下需要额外的同步机制确保线程安全[^1]。 #### 2. 使用方法(以 Python 的 deque 为例) Python 的 `collections.deque` 是高效的双端队列实现,支持从两端添加或移除元素。`append()` 用于添加到右端,常与 `popleft()` 配对实现 FIFO。引用[1] 给出了一个典型示例:append() 和 popleft() 一起使用(右进左出),appendleft() 和 pop() 一起使用(左进右出)。 - **基本步骤**: 1. 导入 `deque`。 2. 创建队列实例。 3. 使用 `append()` 添加元素到尾部。 4. 使用 `popleft()` 移除头部元素。 - **代码示例**: ```python from collections import deque # 创建队列 q = deque(['a', 'b', 'c']) # 使用 append() 添加元素到尾部(右进) q.append('d') # 队列变为 deque(['a', 'b', 'c', 'd']) # 使用 popleft() 移除头部元素(左出) q.popleft() # 移除 'a',队列变为 deque(['b', 'c', 'd']) print(q) # 输出:deque(['b', 'c', 'd']) ``` - 在这个示例中: - `append('d')` 添加元素到队列末尾。 - `popleft()` 移除队列头部的元素,实现 FIFO 行为。 - 如果您需要从左侧添加元素,可以使用 `appendleft()`,并配合 `pop()` 使用(左进右出)。 - **注意事项**: - `deque` 的性能:在两端操作(如 append 和 popleft)的时间复杂度为 $O(1)$,非常高效,适合频繁入队和出队场景。 - 线程安全:`collections.deque` 本身不是线程安全的。如果用于多线程,建议使用 `queue.Queue`(基于锁机制),它提供 `put()` 和 `get()` 方法[^1]。 #### 3. 适用场景 queue.append 方法适用于需要队列行为的场景,特别是在处理 FIFO 数据结构时: - **消息队列**:在生产者-消费者模型中,生产者使用 append 添加消息到队列尾部,消费者使用 popleft 取出处理(例如,任务调度系统)。 - **缓冲区管理**:用于数据流处理,如网络包接收或日志缓冲(append 添加新数据,popleft 移除旧数据)。 - **广度优先搜索(BFS)**:在图算法中,队列用于存储待访问节点;append 添加新节点,popleft 移除当前节点。 - **UI 更新(间接相关)**:在异步编程中(如引用[2]提到的 Swift 的 DispatchQueue.main.async),队列用于封装 UI 更新任务,类似地,Python 中可以使用 deque 或线程安全队列管理后台任务。 在这些场景中,queue.append 的优点包括高效性和简单性,但需注意选择合适的队列类型: - 使用 `deque`:当需要高性能的双端操作时。 - 使用列表:仅适用于简单场景,但列表在中间插入或删除时性能较差(时间复杂度 $O(n)$),不适合高频率队列操作。 - 避免混淆:引用[4]提到,在 pandas 中 DataFrame.append() 已被移除,这提醒我们在不同库中方法可能有差异;queue.append 通常不适用于 pandas DataFrame,而应使用 `pd.concat()`[^4]。 #### 4. 相关知识 - **可变性与性能**:引用[3]解释了 Python 列表的可变性——列表的 append() 操作不会改变对象的内存地址(id),这与元组不同。deque 类似,支持原地修改,适合动态队列操作。在频繁添加/移除元素的场景,deque 比列表更高效,因为它避免了内存重新分配的开销[^3]。 - **线程安全**:`collections.deque` 在单线程中安全,但多线程环境需要使用锁或 `queue.Queue` 模块。后者提供线程安全的 put() 和 get() 方法,常用于并发编程。 - **版本兼容性**:Python 核心库(如 deque)的 append 方法稳定,但第三方库可能有变更(如引用[4]的 pandas 示例)。建议检查库文档以适配版本。 - **数学基础**:队列的 FIFO 行为可以用数学表示为:如果队列元素序列为 $(a_1, a_2, \dots, a_n)$,则 append(x) 后序列变为 $(a_1, a_2, \dots, a_n, x)$,popleft() 后序列变为 $(a_2, \dots, a_n, x)$。这确保了先进元素优先出队。 #### 总结 queue.append 是队列添加元素的核心方法,在 Python 中主要通过 `collections.deque.append()` 实现,适用于 FIFO 场景如任务队列或缓冲。使用时注意线程安全和性能优化:优先使用 deque 而非列表,多线程环境切换到 queue.Queue。如果您有具体编程语言或场景的细节,我可以提供更针对性的建议。
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