Python subprocess库详解：从基础命令执行到进程间通信

前言

subprocess库提供了一套应用程序编程接口（API）用于创建子进程并与之进行交互。这一机制在需要运行生成或消费文本数据的程序时尤为关键，因为它允许通过新进程的标准输入（stdin）和标准输出（stdout）通道进行双向数据传递。

本文将详细阐述如何利用Python的subprocess库来创建和管理附加进程。

run(运行外部命令)

subprocess库的设计初衷之一是替代旧式的os.system()和os.spawnv()等函数。接下来，我们将演示如何使用subprocess库执行外部命令，而不依赖os.system()。具体示例如下：

import subprocess

completed = subprocess.run('whoami')
print(completed.returncode)

在此示例中，我们执行了Windows系统中常用的whoami命令，该命令用于返回当前登录用户的名称。运行后的输出结果如下：

这里，我们调用subprocess.run来启动子进程执行Windows命令。该函数返回一个CompletedProcess实例，其中包含了关于该进程的详细信息。属性returncode表示子进程的退出状态码。通常情况下，退出状态码为0表示进程成功执行；若为负值-N，则表明该子进程是被信号N强制终止的。

该函数还包含多个参数，例如shell。其默认值为False，表示直接执行命令；如果将其显式设置为True，则会创建一个中间shell进程，由该shell进程负责运行指定的命令。

import subprocess

completed = subprocess.run('echo 123',shell=True)
print(completed.returncode)

例如，这里我们打印数字123。

该库还提供了一个call()函数。当subprocess.run中的check参数未设置时（默认值为False），其行为等价于调用call()函数。

对于由run()函数启动的进程，其标准输入和输出通道默认绑定到父进程的对应通道。这意味着调用程序无法直接捕获命令的输出结果。不过，我们可以通过为stdout和stderr参数传入subprocess.PIPE来捕获这些输出，以便后续处理。

import subprocess

completed = subprocess.run('whoami',stdout=subprocess.PIPE)
print(completed.returncode)
print(len(completed.stdout))
print(completed.stdout.decode('UTF-8'))

运行上述代码后的效果如下：

如果在run()函数中设置check=True且将stdout设为PIPE，其效果等价于调用check_output()函数。

通过Shell返回消息

本例演示如何通过子shell运行命令，并在命令返回错误码并退出之前，将详细信息输出到控制台。具体实例如下：

import subprocess

try:
    completed = subprocess.run(
        'echoa 123',
        shell=True,
        stdout=subprocess.PIPE,
        stderr=subprocess.PIPE, )
except subprocess.CalledProcessError as err:
    print("ERROR:", err)
else:
    print("else")
    print(completed.returncode)
    print(len(completed.stdout))
    print(completed.stdout.decode('UTF-8'))
    print(len(completed.stderr))
    print(completed.stderr.decode('gbk'))

运行后的效果如下：

这里我们输入了一个错误的命令。由于命令错误，并未输出命令的执行结果，completed.stdout位于0和64之间，内容为空。而命令将错误消息返回了。这是因为我们将stdout与stderr设置为subprocess.PIPE，表明这些通道是开放的。这样我们才能获取子shell运行的结果以及所运行的错误提示。（读者可以将命令改正确后可以发现错误消息没有了，正确执行结果会输出。这就是subprocess库创建进程的通信机制）

需要注意的是，如果需要抑制输出效果，可以将stdout与stderr设置为subprocess.DEVNULL。不过改了之后，上面代码肯定会报错，因为管道关闭，通信也就关闭了。也就是没有这些参数了。

直接处理管道

subprocess库中还有一个非常重要的类Popen，它是构建其他高层API的底层接口，对于处理更复杂的进程交互非常有用。

例如，run()、call()、check_call()和check_output()函数都是Popen类的封装器。直接使用Popen可以更好地控制命令的运行方式以及输入和输出流的处理。Popen的构造函数利用参数建立新进程，使父进程可以通过管道与之通信。

下面，我们来分别介绍进程间通信的方式。

与进程的单项通信

要运行一个进程并读取它的所有输出，可以设置stdout为PIPE并调用communicate()函数。示例如下：

import subprocess

prc = subprocess.Popen('whoami', stdout=subprocess.PIPE)
stdout_value = prc.communicate()[0].decode('utf-8')
print(repr(stdout_value))

如上面代码所示，Popen会在内部管理数据读取。运行之后，效果如下：

如果你需要调用一个管道，并完成写数据的操作，可以设置stdin为PIPE。

import subprocess

prc = subprocess.Popen(["cmd", "/c", 'type', '-'], stdin=subprocess.PIPE)
prc.communicate('stdin'.encode('UTF-8'))

与进程的双向通信

要完成进程的双向通信，可以直接将stdin与stdout都设置为PIPE即可。示例如下：

import subprocess

cmd = "cmd /c type E:/Project/debug.log"
cmd.encode('utf-8')
prc = subprocess.Popen(cmd, stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE)
msg = 'stdin'.encode('UTF-8')
stdout_value = prc.communicate(msg)[0].decode('utf-8')
print(repr(stdout_value))

至于如果命令行错误需要捕获错误消息，可以直接将stderr也设置为PIPE。

连接管道段

在Linux系统中，我们可以将多个命令连接成一个管线，即可以把它们的输入输出串联在一起。通过Popen我们也可以完成类似的操作，只需要将一个Popen实例的stdout属性被用左管线中下一个Popen实例的stdin参数即可。至于最后肯定还是要设置为PIPE，毕竟我们还是要获取多个管道段消息结果，示例如下：

import subprocess

cmd1 = "cmd /c type E:/Project/debug.log"
proc1 = subprocess.Popen(cmd1, stdout=subprocess.PIPE, encoding='utf-8')

cmd2 = "tree /F | findstr 拒绝访问"
proc2 = subprocess.Popen(cmd1, stdout=subprocess.PIPE, stdin=proc1.stdout, encoding='utf-8')

result = proc2.stdout

for line in result:
    print(line.decode('utf-8').strip())

sys的命令交互

在我们学习Python时，一般使用input()进行用户输入数据。但是其实sys库也可以进行输入输出判断，但它涉及的是进程间的交互，示例如下：

import sys

sys.stderr.write('开始\n')
sys.stderr.flush()

while True:
    next_line = sys.stdin.readline()
    sys.stderr.flush()
    if next_line.strip() == "9599":
        break
    sys.stdout.write(next_line)
    sys.stdout.flush()
sys.stderr.write('结束\n')
sys.stderr.flush()

运行之后，效果如下：

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