【Python】キュー操作をマスターしたいあなたへ!「queue.Queue.full()」と代替方法で安全な並行実行を実現

2024-06-13

Pythonにおける「Concurrent Execution」と「queue.Queue.full()」

「Concurrent Execution」とは

「queue.Queue」と「queue.Queue.full()」の役割

「queue.Queue」は、スレッドやプロセス間でデータを安全に共有するための同期キューです。スレッドやプロセスは、「put()」メソッドを使用してキューに要素を追加し、「get()」メソッドを使用してキューから要素を取得します。「queue.Queue.full()」メソッドは、キューがいっぱいになっているかどうかを確認するために使用されます。キューがいっぱいになっている場合、「put()」メソッドはブロックされます。

以下の例は、「queue.Queue」と「queue.Queue.full()」を使用して、スレッド間でデータを共有する方法を示しています。

import threading
import queue

def producer(q):
    for i in range(10):
        if q.full():
            print("Queue is full")
            break
        q.put(i)
        print("Produced:", i)

def consumer(q):
    while True:
        if q.empty():
            break
        item = q.get()
        print("Consumed:", item)

q = queue.Queue()

t1 = threading.Thread(target=producer, args=(q,))
t2 = threading.Thread(target=consumer, args=(q,))

t1.start()
t2.start()

t1.join()
t2.join()

この例では、「producer」スレッドは 0 から 9 までの数値をキューに生成します。「consumer」スレッドは、キューから要素を取得して消費します。「queue.Queue.full()」メソッドを使用して、「producer」スレッドがキューがいっぱいになったときにブロックされるようにしています。



import threading
import queue

def producer(q):
    for i in range(10):
        if q.full():
            print("Queue is full, dropping element:", i)
        else:
            q.put(i)
            print("Produced:", i)

def consumer(q):
    while True:
        if q.empty():
            break
        item = q.get()
        print("Consumed:", item)

q = queue.Queue(maxsize=5)  # キューの最大サイズを5に設定

t1 = threading.Thread(target=producer, args=(q,))
t2 = threading.Thread(target=consumer, args=(q,))

t1.start()
t2.start()

t1.join()
t2.join()

このコードでは、q = queue.Queue(maxsize=5) 行で、キューの最大サイズを 5 に設定しています。つまり、キューには最大で 5 つの要素しか格納できません。

「producer」スレッドは、0 から 9 までの数値を生成します。キューがいっぱいになった場合、if q.full(): ステートメントが実行され、「Queue is full, dropping element:", iというメッセージが表示されます。次に、continue` ステートメントが実行され、次のループイテレーションに進みます。

「consumer」スレッドは、キューから要素を取得して消費します。キューが空になった場合、if q.empty(): ステートメントが実行され、ループが終了します。

このコードは、「queue.Queue.full()」を使用して、キューがいっぱいになったときに適切に処理する方法を示しています。

import threading
import queue

def producer(q):
    for i in range(10):
        if q.full():
            print("Queue is full, retrying in 1 second")
            time.sleep(1)
            continue
        q.put(i)
        print("Produced:", i)

def consumer(q):
    while True:
        if q.empty():
            break
        item = q.get()
        print("Consumed:", item)

q = queue.Queue(maxsize=5)

t1 = threading.Thread(target=producer, args=(q,))
t2 = threading.Thread(target=consumer, args=(q,))

t1.start()
t2.start()

t1.join()
t2.join()

このコードでは、「producer」スレッドがキューがいっぱいになった場合、1 秒待ってから再度要素を追加しようとします。



「queue.Queue.full()」の代替方法

try-except ブロックを使用する

最も簡単な代替方法は、try-except ブロックを使用することです。以下の例では、put() メソッドを try-except ブロック内に配置し、Full 例外がスローされた場合にキューがいっぱいであると判断します。

import queue

q = queue.Queue()

try:
  q.put(item)
except queue.Full:
  print("Queue is full")

この方法はシンプルで分かりやすいですが、パフォーマンス面では最良ではありません。try-except ブロックは、例外処理のオーバーヘッドが伴うためです。

len() 関数を使用する

もう 1 つの方法は、len() 関数を使用してキュー内の要素数を取得し、キューの最大サイズと比較することです。以下の例では、キューの最大サイズが 5 であると仮定し、要素数が 5 に達したらキューがいっぱいであると判断します。

import queue

q = queue.Queue(maxsize=5)

if len(q) == q.maxsize:
  print("Queue is full")

この方法は、try-except ブロックよりもパフォーマンスが優れていますが、キューのロックを取得する必要があるため、スレッド間で安全に使用するには注意が必要です。

イベントを使用する

スレッド間で安全にキューの状態を監視したい場合は、イベントを使用することができます。以下の例では、put() メソッドがキューに追加されるときにイベントが設定され、get() メソッドがキューから要素を取得されるときにイベントがクリアされます。メインスレッドは、イベントを待ってキューの状態を確認することができます。

import threading
import queue

event = threading.Event()

def producer(q):
  for i in range(10):
    q.put(i)
    event.set()

def consumer(q):
  while True:
    event.wait()
    item = q.get()
    event.clear()
    print("Consumed:", item)

q = queue.Queue()

t1 = threading.Thread(target=producer, args=(q,))
t2 = threading.Thread(target=consumer, args=(q,))

t1.start()
t2.start()

while True:
  if q.full():
    print("Queue is full")
    break
  time.sleep(1)

t1.join()
t2.join()

この方法は、スレッド間で安全にキューの状態を監視する最もエレガントな方法ですが、実装が最も複雑です。

カスタムキューを使用する

高度な制御が必要な場合は、カスタムキューを作成することができます。カスタムキューでは、独自のロジックを使用してキューの状態を判断することができます。

適切な方法を選択する

「queue.Queue.full()」の代替方法はいくつかありますが、それぞれ長所と短所があります。状況に応じて適切な方法を選択する必要があります。

  • シンプルで分かりやすい方法が必要な場合は、try-except ブロックを使用します。
  • パフォーマンスが重要な場合は、len() 関数を使用します。
  • スレッド間で安全にキューの状態を監視する必要がある場合は、イベントを使用します。
  • 高度な制御が必要な場合は、カスタムキューを作成します。