使用 ZeroMQ 消息库在 C 和 Python 间共享数据

ZeroMQ 是一个快速灵活的消息库，用于数据收集和不同编程语言间的数据共享。

作为软件工程师，我有多次在要求完成指定任务时感到浑身一冷的经历。其中有一次，我必须在一些新的硬件基础设施和云基础设施之间写一个接口，这些硬件需要 C 语言，而云基础设施主要是用 Python。

实现的方式之一是用 C 写扩展模块，Python 支持 C 扩展的调用。快速浏览文档后发现，这需要编写大量的 C 代码。这样做的话，在有些情况下效果还不错，但不是我喜欢的方式。另一种方式就是将两个任务放在不同的进程中，并使用 ZeroMQ 消息库在两者之间交换消息。

在发现 ZeroMQ 之前，遇到这种类型的情况时，我选择了编写扩展的方式。这种方式不算太差，但非常费时费力。如今，为了避免那些问题，我将一个系统细分为独立的进程，通过通信套接字发送消息来交换信息。这样，不同的编程语言可以共存，每个进程也变简单了，同时也容易调试。

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 <stdlib.h>
#include <stdint.h>

// 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 <stdio.h>
// For EXIT_*
#include <stdlib.h>
// For memcpy()
#include <string.h>
// For sleep()
#include <unistd.h>

#include <zmq.h>

#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 <stdio.h>
// For EXIT_*
#include <stdlib.h>
// For memcpy()
#include <string.h>
// For sleep()
#include <unistd.h>

#include <zmq.h>

#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_interface
Topic: fancyhw_data; topic size: 12; Envelope size: 45
Read 16 data values
Message sent; i: 0, topic: fancyhw_data
Read 16 data values
Message sent; i: 1, topic: fancyhw_data
Read 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 zmq
import 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 zmq
import 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.py
Reading 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)
...
...