怎么使用ZeroMQ消息库在C和Python间共享数据
本篇内容介绍了“怎么使用ZeroMQ消息库在C和Python间共享数据”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！
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ZeroMQ 提供了一个更简单的过程：
编写一小段 C 代码，从硬件读取数据，然后把发现的东西作为消息发送出去。
使用 Python 编写接口，实现新旧基础设施之间的对接。
Pieter Hintjens 是 ZeroMQ 项目发起者之一，他是个拥有 有趣视角和作品 的非凡人物。
准备
本教程中，需要：
一个 C 编译器（例如 GCC 或 Clang）
libzmq 库
Python 3
ZeroMQ 的 Python 封装
Fedora 系统上的安装方法：
$ dnf install clang zeromq zeromq-devel python3 python3-zmq
Debian 和 Ubuntu 系统上的安装方法：
$ apt-get install clang libzmq5 libzmq3-dev python3 python3-zmq
如果有问题，参考对应项目的安装指南（上面附有链接）。
编写硬件接口库
因为这里针对的是个设想的场景，本教程虚构了包含两个函数的操作库：
fancyhw_init()用来初始化（设想的）硬件fancyhw_read_val()用于返回从硬件读取的数据
将库的完整代码保存到文件 libfancyhw.h 中:
#ifndef LIBFANCYHW_H#define LIBFANCYHW_H #include#include // This is the fictitious hardware interfacing library void fancyhw_init(unsigned int init_param){ srand(init_param);} int16_t fancyhw_read_val(void){ return (int16_t)rand();} #endif
这个库可以模拟你要在不同语言实现的组件间交换的数据，中间有个随机数发生器。
设计 C 接口
下面从包含管理数据传输的库开始，逐步实现 C 接口。
需要的库
开始先加载必要的库（每个库的作用见代码注释）：
// For printf()#include// For EXIT_*#include // For memcpy()#include // For sleep()#include #include #include "libfancyhw.h"
必要的参数
定义 main 函数和后续过程中必要的参数：
int main(void){ const unsigned int INIT_PARAM = 12345; const unsigned int REPETITIONS = 10; const unsigned int PACKET_SIZE = 16; const char *TOPIC = "fancyhw_data"; ...初始化
所有的库都需要初始化。虚构的那个只需要一个参数：
fancyhw_init(INIT_PARAM);
ZeroMQ 库需要实打实的初始化。首先，定义对象 context，它是用来管理全部的套接字的：
void *context = zmq_ctx_new(); if (!context){ printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE;}之后定义用来发送数据的套接字。ZeroMQ 支持若干种套接字，各有其用。使用 publish 套接字（也叫 PUB 套接字），可以复制消息并分发到多个接收端。这使得你可以让多个接收端接收同一个消息。没有接收者的消息将被丢弃（即不会入消息队列）。用法如下：
void *data_socket = zmq_socket(context, ZMQ_PUB);
套接字需要绑定到一个具体的地址，这样客户端就知道要连接哪里了。本例中，使用了 TCP 传输层（当然也有 其它选项，但 TCP 是不错的默认选择）：
const int rb = zmq_bind(data_socket, "tcp://*:5555"); if (rb != 0){ printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE;}下一步, 计算一些后续要用到的值。 注意下面代码中的 TOPIC，因为 PUB 套接字发送的消息需要绑定一个主题。主题用于供接收者过滤消息：
const size_t topic_size = strlen(TOPIC);const size_t envelope_size = topic_size + 1 + PACKET_SIZE * sizeof(int16_t); printf("Topic: %s; topic size: %zu; Envelope size: %zu\n", TOPIC, topic_size, envelope_size);发送消息
启动一个发送消息的循环，循环 REPETITIONS 次：
for (unsigned int i = 0; i < REPETITIONS; i++){ ...发送消息前，先填充一个长度为 PACKET_SIZE 的缓冲区。本库提供的是 16 个位的有符号整数。因为 C 语言中 int 类型占用空间大小与平台相关，不是确定的值，所以要使用指定宽度的 int 变量：
int16_t buffer[PACKET_SIZE]; for (unsigned int j = 0; j < PACKET_SIZE; j++){ buffer[j] = fancyhw_read_val();} printf("Read %u data values\n", PACKET_SIZE);消息的准备和发送的第一步是创建 ZeroMQ 消息，为消息分配必要的内存空间。空白的消息是用于封装要发送的数据的：
zmq_msg_t envelope; const int rmi = zmq_msg_init_size(&envelope, envelope_size);if (rmi != 0){ printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_init_size(): %s\n", zmq_strerror(errno)); zmq_msg_close(&envelope); break;}现在内存空间已分配，数据保存在 ZeroMQ 消息 “信封”中。函数 zmq_msg_data() 返回一个指向封装数据缓存区顶端的指针。第一部分是主题，之后是一个空格，最后是二进制数。主题和二进制数据之间的分隔符采用空格字符。需要遍历缓存区的话，使用类型转换和 指针算法。（感谢 C 语言，让事情变得直截了当。）做法如下：
memcpy(zmq_msg_data(&envelope), TOPIC, topic_size);memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + topic_size), " ", 1);memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + 1 + topic_size), buffer, PACKET_SIZE * sizeof(int16_t))
通过 data_socket 发送消息：
const size_t rs = zmq_msg_send(&envelope, data_socket, 0);if (rs != envelope_size){ printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_send(): %s\n", zmq_strerror(errno)); zmq_msg_close(&envelope); break;}使用数据之前要先解除封装：
zmq_msg_close(&envelope); printf("Message sent; i: %u, topic: %s\n", i, TOPIC);清理
C 语言不提供 垃圾收集 功能，用完之后记得要自己扫尾。发送消息之后结束程序之前，需要运行扫尾代码，释放分配的内存:
const int rc = zmq_close(data_socket); if (rc != 0){ printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_close(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE;} const int rd = zmq_ctx_destroy(context); if (rd != 0){ printf("Error occurred during zmq_ctx_destroy(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE;} return EXIT_SUCCESS;完整 C 代码
保存下面完整的接口代码到本地名为 hw_interface.c 的文件：
// For printf()#include// For EXIT_*#include // For memcpy()#include // For sleep()#include #include #include "libfancyhw.h" int main(void){ const unsigned int INIT_PARAM = 12345; const unsigned int REPETITIONS = 10; const unsigned int PACKET_SIZE = 16; const char *TOPIC = "fancyhw_data"; fancyhw_init(INIT_PARAM); void *context = zmq_ctx_new(); if (!context) { printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE; } void *data_socket = zmq_socket(context, ZMQ_PUB); const int rb = zmq_bind(data_socket, "tcp://*:5555"); if (rb != 0) { printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_ctx_new(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE; } const size_t topic_size = strlen(TOPIC); const size_t envelope_size = topic_size + 1 + PACKET_SIZE * sizeof(int16_t); printf("Topic: %s; topic size: %zu; Envelope size: %zu\n", TOPIC, topic_size, envelope_size); for (unsigned int i = 0; i < REPETITIONS; i++) { int16_t buffer[PACKET_SIZE]; for (unsigned int j = 0; j < PACKET_SIZE; j++) { buffer[j] = fancyhw_read_val(); } printf("Read %u data values\n", PACKET_SIZE); zmq_msg_t envelope; const int rmi = zmq_msg_init_size(&envelope, envelope_size); if (rmi != 0) { printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_init_size(): %s\n", zmq_strerror(errno)); zmq_msg_close(&envelope); break; } memcpy(zmq_msg_data(&envelope), TOPIC, topic_size); memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + topic_size), " ", 1); memcpy((void*)((char*)zmq_msg_data(&envelope) + 1 + topic_size), buffer, PACKET_SIZE * sizeof(int16_t)); const size_t rs = zmq_msg_send(&envelope, data_socket, 0); if (rs != envelope_size) { printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_msg_send(): %s\n", zmq_strerror(errno)); zmq_msg_close(&envelope); break; } zmq_msg_close(&envelope); printf("Message sent; i: %u, topic: %s\n", i, TOPIC); sleep(1); } const int rc = zmq_close(data_socket); if (rc != 0) { printf("ERROR: ZeroMQ error occurred during zmq_close(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE; } const int rd = zmq_ctx_destroy(context); if (rd != 0) { printf("Error occurred during zmq_ctx_destroy(): %s\n", zmq_strerror(errno)); return EXIT_FAILURE; } return EXIT_SUCCESS;}
用如下命令编译：
$ clang -std=c99 -I. hw_interface.c -lzmq -o hw_interface
如果没有编译错误，你就可以运行这个接口了。贴心的是，ZeroMQ PUB 套接字可以在没有任何应用发送或接受数据的状态下运行，这简化了使用复杂度，因为这样不限制进程启动的次序。
运行该接口：
$ ./hw_interfaceTopic: fancyhw_data; topic size: 12; Envelope size: 45Read 16 data valuesMessage sent; i: 0, topic: fancyhw_dataRead 16 data valuesMessage sent; i: 1, topic: fancyhw_dataRead 16 data values......
输出显示数据已经通过 ZeroMQ 完成发送，现在要做的是让一个程序去读数据。
编写 Python 数据处理器
现在已经准备好从 C 程序向 Python 应用传送数据了。
库
需要两个库帮助实现数据传输。首先是 ZeroMQ 的 Python 封装：
$ python3 -m pip install zmq
另一个就是 struct 库，用于解码二进制数据。这个库是 Python 标准库的一部分，所以不需要使用 pip 命令安装。
Python 程序的第一部分是导入这些库：
import zmqimport struct
重要参数
使用 ZeroMQ 时，只能向常量 TOPIC 定义相同的接收端发送消息：
topic = "fancyhw_data".encode('ascii') print("Reading messages with topic: {}".format(topic))初始化
下一步，初始化上下文和套接字。使用 subscribe 套接字（也称为 SUB 套接字），它是 PUB 套接字的天生伴侣。这个套接字发送时也需要匹配主题。
with zmq.Context() as context: socket = context.socket(zmq.SUB) socket.connect("tcp://127.0.0.1:5555") socket.setsockopt(zmq.SUBSCRIBE, topic) i = 0 ...接收消息
启动一个无限循环，等待接收发送到 SUB 套接字的新消息。这个循环会在你按下 Ctrl+C 组合键或者内部发生错误时终止：
try: while True: ... # we will fill this in next except KeyboardInterrupt: socket.close() except Exception as error: print("ERROR: {}".format(error)) socket.close()这个循环等待 recv() 方法获取的新消息，然后将接收到的内容从第一个空格字符处分割开，从而得到主题：
binary_topic, data_buffer = socket.recv().split(b' ', 1)
解码消息
Python 此时尚不知道主题是个字符串，使用标准 ASCII 编解码器进行解码：
topic = binary_topic.decode(encoding = 'ascii') print("Message {:d}:".format(i))print("\ttopic: '{}'".format(topic))下一步就是使用 struct 库读取二进制数据，它可以将二进制数据段转换为明确的数值。首先，计算数据包中数值的组数。本例中使用的 16 个位的有符号整数对应的是 struct 格式字符 中的 h：
packet_size = len(data_buffer) // struct.calcsize("h") print("\tpacket size: {:d}".format(packet_size))知道数据包中有多少组数据后，就可以通过构建一个包含数据组数和数据类型的字符串，来定义格式了（比如“16h”）：
struct_format = "{:d}h".format(packet_size)将二进制数据串转换为可直接打印的一系列数字：
data = struct.unpack(struct_format, data_buffer) print("\tdata: {}".format(data))完整 Python 代码
下面是 Python 实现的完整的接收端：
#! /usr/bin/env python3 import zmqimport struct topic = "fancyhw_data".encode('ascii') print("Reading messages with topic: {}".format(topic)) with zmq.Context() as context: socket = context.socket(zmq.SUB) socket.connect("tcp://127.0.0.1:5555") socket.setsockopt(zmq.SUBSCRIBE, topic) i = 0 try: while True: binary_topic, data_buffer = socket.recv().split(b' ', 1) topic = binary_topic.decode(encoding = 'ascii') print("Message {:d}:".format(i)) print("\ttopic: '{}'".format(topic)) packet_size = len(data_buffer) // struct.calcsize("h") print("\tpacket size: {:d}".format(packet_size)) struct_format = "{:d}h".format(packet_size) data = struct.unpack(struct_format, data_buffer) print("\tdata: {}".format(data)) i += 1 except KeyboardInterrupt: socket.close() except Exception as error: print("ERROR: {}".format(error)) socket.close()将上面的内容保存到名为 online_analysis.py 的文件。Python 代码不需要编译，你可以直接运行它。
运行输出如下：
$ ./online_analysis.pyReading messages with topic: b'fancyhw_data'Message 0: topic: 'fancyhw_data' packet size: 16 data: (20946, -23616, 9865, 31416, -15911, -10845, -5332, 25662, 10955, -32501, -18717, -24490, -16511, -28861, 24205, 26568)Message 1: topic: 'fancyhw_data' packet size: 16 data: (12505, 31355, 14083, -19654, -9141, 14532, -25591, 31203, 10428, -25564, -732, -7979, 9529, -27982, 29610, 30475)......
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