如何解决Python的子进程通信错误？

1. 引言

在Python中，我们常常会遇到需要使用子进程的情况，而子进程之间的通信是必不可少的一部分。然而，在使用Python的子进程通信时，我们经常会遇到一些错误。本篇文章将介绍Python子进程通信中常见的错误，以及如何解决这些错误。

2. Python子进程通信的概述

Python中的子进程通常使用subprocess模块来实现。其中，Popen类是最核心的一部分。Popen类用于创建一个新的进程，并与其进行通信。

子进程的通信通常由两个方向组成：子进程向主进程通信，和主进程向子进程通信。

2.1. 子进程向主进程通信

子进程向主进程通信通常使用标准输出流stdout来实现。子进程可以通过print方法将数据输出到标准输出流中，而主进程可以通过Popen.stdout属性来获取标准输出流中的数据。

下面是一个使用Popen.stdout获取子进程输出的例子：

import subprocess

p = subprocess.Popen(['ls', '-l'], stdout=subprocess.PIPE)
print(p.stdout.read())

这个例子中，subprocess.Popen方法创建了一个新的ls进程，并通过stdout=subprocess.PIPE参数将其标准输出流重定向至管道。主进程通过p.stdout.read()方法获取进程的标准输出流，并输出到控制台。

2.2. 主进程向子进程通信

主进程向子进程通信通常使用标准输入流stdin来实现。主进程可以通过Popen.stdin属性来获取子进程的标准输入流，并向其写入数据。子进程可以通过input或sys.stdin.readline()方法来获取数据。

下面是一个使用Popen.stdin向子进程输入数据的例子：

import subprocess

p = subprocess.Popen(['python3'], stdin=subprocess.PIPE)
p.stdin.write(b'print("Hello world")\n')
p.stdin.close()
p.wait()

这个例子中，subprocess.Popen方法创建了一个新的python3进程，并通过stdin=subprocess.PIPE参数将其标准输入流重定向至管道。主进程通过p.stdin.write()方法向进程的标准输入流写入一行字符串，并通过p.stdin.close()方法关闭流。子进程通过input或sys.stdin.readline()方法获取标准输入流中的数据，并输出到控制台。

3. Python子进程通信的常见错误

3.1. 管道关闭

有时候，我们在向子进程发送数据时，会遇到BrokenPipeError异常。这是由于管道被关闭而引起的。

下面是一个触发BrokenPipeError异常的例子：

import subprocess

p = subprocess.Popen(['cat'], stdin=subprocess.PIPE)
p.stdin.write(b'hello\n')
p.stdin.write(b'world\n')

这个例子中，我们向子进程cat发送了两行数据，但在第二次写入时，运行时会抛出BrokenPipeError异常。

3.2. 缓冲区满

有时候，在使用Popen.stdin.write()方法向子进程发送数据时，会遇到BlockingIOError异常。这是由于子进程的缓冲区已满而引起的。

下面是一个触发BlockingIOError异常的例子：

import subprocess

p = subprocess.Popen(['yes'], stdin=subprocess.PIPE)
for i in range(100):
    p.stdin.write(str(i).encode('utf-8') + b'\n')

这个例子中，我们向子进程yes发送数据，一次发送100次。由于yes的输出流被重定向至其他地方，而本身输出非常快，因此缓冲区很快就会被填满。当缓冲区被填满后，继续向其写入数据时，会触发BlockingIOError异常。

3.3. 超时

有时候，在与子进程通信时，会遇到超时的情况。这可能是由于子进程无法在规定的时间内完成工作，或者管道被关闭或堵塞而引起的。

下面是一个触发超时的例子：

import subprocess

p = subprocess.Popen(['sleep', '10'], stdin=subprocess.PIPE)
try:
    p.wait(timeout=5)
except subprocess.TimeoutExpired:
    print('Timeout') 

这个例子中，subprocess.Popen方法创建了一个新的sleep进程，该进程会休眠10秒钟。主进程在创建后5秒钟的时间内等待其完成，如果等待超时，则会捕获TimeoutExpired异常，并输出Timeout。

4. 如何解决Python子进程通信的错误

4.1. 使用Popen.communicate()方法

在Python中，还有一种方法可以使用，即Popen.communicate()方法。

Popen.communicate()方法将会向子进程输入数据，并返回标准输出流的内容。同时，该方法内部会解决缓冲区满的问题，因此可以避免出现BlockingIOError异常。

下面是一个使用Popen.communicate()方法的例子：

import subprocess

p = subprocess.Popen(['cat'], stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE)
output, error = p.communicate(b'hello\nworld\n')
print(output.decode('utf-8')) 

在这个例子中，我们使用Popen.communicate()方法向cat进程输入两行字符串，并获取其标准输出流中的内容。

4.2. 使用select.select()方法

我们可以使用select.select()方法来检查子进程的标准输入流和标准输出流是否准备好了。

下面是一个使用select.select()方法避免BrokenPipeError异常的例子：

import subprocess

import select
p = subprocess.Popen(['cat'], stdin=subprocess.PIPE)
while p.poll() is None:
    fds = select.select([], [p.stdin], [], 1)
    if p.stdin in fds[1]:
        p.stdin.write(b'hello\n')

在这个例子中，我们使用select.select()方法检查子进程的标准输入流是否准备好了。如果准备好了，我们就可以向其写入数据。

4.3. 使用asyncio模块

在Python 3.4及以上版本中，我们可以使用asyncio模块来管理子进程。使用asyncio模块管理子进程可以让我们更易于看到代码中的一致性，并将Popen.stdout和Popen.stdin对象转换为可操作的流对象。

下面是一个使用asyncio模块管理子进程的例子：

import asyncio

async def run_subprocess():
    process = await asyncio.create_subprocess_exec('python3', '-c', 'import sys; print(sys.stdin.read())',
                                                        stdin=asyncio.subprocess.PIPE)
    await process.stdin.write(b'hello world\n')
    await process.stdin.drain()
    process.stdin.close()
    
    result = await process.wait()
    
    return result
result = asyncio.run(run_subprocess())
print(f'Process exited with {result}')

在这个例子中，我们使用asyncio.create_subprocess_exec()方法创建一个新的python3进程，并将其标准输入流重定向至管道。我们使用process.stdin.write()方法向进程写入字符串，并使用process.stdin.drain()方法刷新缓冲区。在写完成后，我们关闭子进程的标准输入流，并使用process.wait()方法等待进程结束。最后，我们输出进程的退出码。

5. 结论

Python中的subprocess模块对于处理子进程非常有用，但在使用该模块时，经常会出现一些错误。在本篇文章中，我们介绍了Python子进程通信中常见的三种错误，以及如何解决这些错误。我们可以使用Popen.communicate()方法、select.select()方法或asyncio模块来管理子进程，并且可以避免大多数错误。