ZMQ的三种消息模式

一. ZMQ是什么?

普通的socket是端对端(1:1)的关系，ZMQ是N:M的关系，socket的连接需要显式地建立连接，销毁连接，选择协议(TCP/UDP)和

错误处理，ZQM屏蔽了这些细节，像是一个封装了的socket库，让网络编程变得更简单。ZMQ不关用于主机与主机之间的socket通信，

还可以是线程和进程之间的通信。

ZMQ提供的套接字可以在多种协议中传输消息，线程间，进程间，TCP等。可以使用套接字创建多种消息模式，如‘请求-应答模式’，‘发布-订阅模式’，‘分布式模式’等。

二. ZMQ特点

1. 组件来去自如，ZQM会负责自动重连，服务端和客户端可以随意的退出网络。tcp的话，必须现有服务端启动，在启动客户端，否则会报错。

2. ZMQ会在必要的情况下将消息放入队列中保存，一旦建立了连接就开始发送。

3. ZMQ有阈值机制，当队列满的时候，可以自动阻塞发送者，或者丢弃部分消息。

4. ZMQ可以使用不同的通信协议进行连接，TCP，进程间，线程间。

5. ZMQ提供了多种模式进行消息路由。如请求-应答模式，发布-订阅模式等，这些模式可以用来搭建网络拓扑结构。

6. ZMQ会在后台线程异步的处理I/O操作，他使用一种不会死锁的数据结构来存储消息。

三. ZMQ的三种消息模式

1. Reuqest-Reply(请求-应答模式)

(1). 使用Request-Reply模式，需要遵循一定的规律。

(2).客户端必要先发送消息，在接收消息；服务端必须先进行接收客户端发送过来的消息，在发送应答给客户端，如此循环

(3). 服务端和客户端谁先启动，效果都是一样的。

(4). 服务端在收到消息之前，会一直阻塞，等待客户端连上来。

 创建一个客户端和服务端，客户端发送消息给服务端，服务端返回消息给客户端，客户端和服务器谁先启动都可以

client.py

import zmq

context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.REQ)
socket.connect("tcp://localhost:5555")

#客户端必须要先发送消息，然后在接收消息
if __name__ == '__main__':
    print('zmq client start....')
    for i in range(1, 10):
        socket.send_string("hello")
        message = socket.recv()
        print('received reply message:{}'.format(message))

server.py

import zmq
import time

context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.REP)
socket.bind("tcp://*:5555")
count = 0

#必须要先接收消息，然后在应答
if __name__ == '__main__':
    print('zmq server start....')
    while True:
        message = socket.recv()
        count += 1
        print('received request. message:{} count:{}'.format(message, count))
        time.sleep(1)
        socket.send_string("World!")

常见数据请求发送API:

#发送数据
socket.send_json(data)   #data 会被json序列化后进行传输 (json.dumps)
socket.send_string(data, encoding="utf-8")   #data为unicode字符串，会进行编码成子节再传输
socket.send_pyobj(obj)    #obj为python对象，采用pickle进行序列化后传输
socket.send_multipart(msg_parts)   # msg_parts, 发送多条消息组成的迭代器序列，每条消息是子节类型，
                                    # 如[b"message1", b"message2", b"message2"]

#接收数据
socket.recv_json()
socket.recv_string()
socket.recv_pyobj()
socket.recv_multipart()

2. Publisher-Subscriber(发布-订阅模式)

Publisher-Subscriber模式,消息是单向流动的，发布者只能发布消息，不能接受消息;订阅者只能接受消息，不能发送消息。

服务端发布消息的过程中，如果有订阅者退出，不影响发布者继续发布消息，当订阅者再次连接上来，收到的消息是后来发布的消息

比较晚加入的订阅者，或者中途离开的订阅者，必然会丢掉一部分信息

如果发布者停止，所有的订阅者会阻塞，等发布者再次上线的时候回继续接受消息。

"慢连接": 我们不知道订阅者是何时开始接受消息的，就算启动"订阅者"，在启动"发布者", "订阅者"还是会缺失一部分的消息，因为建立连接是需要时间的，虽然时间很短，但不是零。ZMQ在后台是进行异步的IO传输，在建立TCP连接的短短的时间段内，ZMQ就可以发送很多消息了。

有种简单的方法来同步"发布者" 和"订阅者", 通过sleep让发布者延迟发布消息，等连接建立完成后再进行发送.

 Publisher.py

import zmq
import time
import random

context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.PUB)
socket.bind("tcp://*:5555")

if __name__ == '__main__':
    print("发布者启动.....")
    time.sleep(2)
    for i in range(1000):
        tempterature = random.randint(-10, 40)
        message = "我是publisher, 这是我发布给你们的第{}个消息！今日温度{}".format(i+1, tempterature)
        socket.send_string(message)

Subscriber.py

import zmq

context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.SUB)
socket.connect("tcp://localhost:5555")

# 客户端需要设定一个过滤，否则收不到任何信息
socket.setsockopt_string(zmq.SUBSCRIBE, '')

if __name__ == '__main__':
    print('订阅者一号启动....')
    while True:
        message = socket.recv_string()
        print("（订阅者一号）接收到'发布者'发送的消息：{}".format(message))

3. Push-Pull(平行管道模式/分布式处理)

Ventilator:任务发布器会生成大量可以并行运算的任务。

Worker:有一组worker会处理这些任务

Sink:结果接收器会在末端接收所有的Worker的处理结果，进行汇总

Worker上游和"任务发布器"相连，下游和"结果接收器"相连

"任务发布器" 和 "结果接收器"是这个网路结构中比较稳定的部分，由他们绑定至端点

Worker只是连接两个端点

需要等Worker全部启动后，在进行任务分发。Socket的连接会消耗一定时间(慢连接), 如果不尽兴同步的话，第一个Worker启动

会一下子接收很多任务。

"任务分发器" 会向Worker均匀的分发任务(负载均衡机制)

"结果接收器" 会均匀地从Worker处收集消息(公平队列机制)

Ventilator.py 任务分发

import zmq
import random

raw_input = input
context = zmq.Context()

sender = context.socket(zmq.PUSH)
sender.bind("tcp://*:5557")

sink = context.socket(zmq.PUSH)
sink.connect("tcp://localhost:5558")

if __name__ == '__main__':

    # 同步操作
    print("Press Enter when the workers are ready: ")
    _ = raw_input()
    print("Sending tasks to workers…")

    sink.send_string('0')

    # 发送十个任务
    total_msec = 0
    for task_nbr in range(10):

        # 每个任务耗时为N
        workload = random.randint(1, 5)
        total_msec += workload

        sender.send_string(u'%i' % workload)

    print("10个任务的总工作量: %s 秒" % total_msec)

Worker.py (中间处理)

import time
import zmq

context = zmq.Context()

receiver = context.socket(zmq.PULL)
receiver.connect("tcp://localhost:5557")

sender = context.socket(zmq.PUSH)
sender.connect("tcp://localhost:5558")

if __name__ == '__main__':

    while True:
        s = receiver.recv()
        print('work1 接收到一个任务... 需要{}秒'.format(s))

        # Do the work
        time.sleep(int(s))

        # Send results to sink
        sender.send_string('work1 完成一个任务，耗时{}秒'.format(s))

Sink.py 结果接收器

import time
import zmq

context = zmq.Context()

receiver = context.socket(zmq.PULL)
receiver.bind("tcp://*:5558")

if __name__ == '__main__':

    s = receiver.recv()
    print('开始接收处理结果.....')

    # 计时，所有任务处理完一共需要多久
    tstart = time.time()

    # 接受十个任务的处理结果
    for task_nbr in range(10):
        s = receiver.recv_string()
        print(s)

    tend = time.time()
    print("三个worker同时工作，耗时: %d 秒" % (tend-tstart))

zmq.Poller(ZMQ超时判断)

socket_req_url = config.zmq_rep_host.format(config.zmq_rep_port)
socket_req = zmq.Context().socket(zmq.REQ)
socket_req.connect(socket_req_url)
poller = zmq.Poller()
poller.register(socket_req, zmq.POLLIN)    

超时重连实例:

Server服务端:

import zmq
import time

context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.REP)
socket.bind("tcp://*:5555")
count = 0

#必须要先接收消息，然后在应答
if __name__ == '__main__':
    print('zmq server start....')
    while True:
        message = socket.recv()
        count += 1
        print('received request. message:{} count:{}'.format(message, count))
        time.sleep(1)
        socket.send_string("ping test suc")

Client客户端:

import zmq

#超时重连
class PingPort():
    def __init__(self):
        self.port = '5555'
        self.socket_req_url = 'tcp://localhost:{}'.format(self.port)
        self.socket_req = zmq.Context().socket(zmq.REQ)
        self.socket_req.connect(self.socket_req_url)
        self.poller = zmq.Poller()
        self.poller.register(self.socket_req, zmq.POLLIN)

    def ping(self):
        self.socket_req.send_string('ping test')
        if self.poller.poll(3000):
            resp = self.socket_req.recv()
            print(resp)
　　　　　　  return True
        else:
            print('ping {} port fail, no response.'.format(self.port))
            self.socket_req.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
            self.socket_req.close()
            self.poller.unregister(self.socket_req)
            print('-------------开始重连--------------------')
            self.socket_req = zmq.Context().socket(zmq.REQ)
            self.socket_req.connect(self.socket_req_url)
            self.poller = zmq.Poller()
            self.poller.register(self.socket_req, zmq.POLLIN)
            self.ping()

if __name__ == '__main__':
    obj = PingPort()
    print(obj.ping)

如果服务端未开启，则显示效果如下所示:

 服务端开启则返回True