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java io系列04之 管道(PipedOutputStream和PipedInputStream)的简介,源码分析和示例
本章,我们对java 管道进行学习。
转载请注明出处:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/io_04.html
java 管道介绍
在java中,PipedOutputStream和PipedInputStream分别是管道输出流和管道输入流。
它们的作用是让多线程可以通过管道进行线程间的通讯。在使用管道通信时,必须将PipedOutputStream和PipedInputStream配套使用。
使用管道通信时,大致的流程是:我们在线程A中向PipedOutputStream中写入数据,这些数据会自动的发送到与PipedOutputStream对应的PipedInputStream中,进而存储在PipedInputStream的缓冲中;此时,线程B通过读取PipedInputStream中的数据。就可以实现,线程A和线程B的通信。
PipedOutputStream和PipedInputStream源码分析
下面介绍PipedOutputStream和PipedInputStream的源码。在阅读它们的源码之前,建议先看看源码后面的示例。待理解管道的作用和用法之后,再看源码,可能更容易理解。
此外,由于在“java io系列03之 ByteArrayOutputStream的简介,源码分析和示例(包括OutputStream)”中已经对PipedOutputStream的父类OutputStream进行了介绍,这里就不再介绍OutputStream。
在“java io系列02之 ByteArrayInputStream的简介,源码分析和示例(包括InputStream)”中已经对PipedInputStream的父类InputStream进行了介绍,这里也不再介绍InputStream。
1. PipedOutputStream 源码分析(基于jdk1.7.40)
1 package java.io; 2 3 import java.io.*; 4 5 public class PipedOutputStream extends OutputStream { 6 7 // 与PipedOutputStream通信的PipedInputStream对象 8 private PipedInputStream sink; 9 10 // 构造函数,指定配对的PipedInputStream11 public PipedOutputStream(PipedInputStream snk) throws IOException {12 connect(snk);13 }14 15 // 构造函数16 public PipedOutputStream() {17 }18 19 // 将“管道输出流” 和 “管道输入流”连接。20 public synchronized void connect(PipedInputStream snk) throws IOException {21 if (snk == null) {22 throw new NullPointerException();23 } else if (sink != null || snk.connected) {24 throw new IOException("Already connected");25 }26 // 设置“管道输入流”27 sink = snk;28 // 初始化“管道输入流”的读写位置29 // int是PipedInputStream中定义的,代表“管道输入流”的读写位置30 snk.in = -1;31 // 初始化“管道输出流”的读写位置。32 // out是PipedInputStream中定义的,代表“管道输出流”的读写位置33 snk.out = 0;34 // 设置“管道输入流”和“管道输出流”为已连接状态35 // connected是PipedInputStream中定义的,用于表示“管道输入流与管道输出流”是否已经连接36 snk.connected = true;37 }38 39 // 将int类型b写入“管道输出流”中。40 // 将b写入“管道输出流”之后,它会将b传输给“管道输入流”41 public void write(int b) throws IOException {42 if (sink == null) {43 throw new IOException("Pipe not connected");44 }45 sink.receive(b);46 }47 48 // 将字节数组b写入“管道输出流”中。49 // 将数组b写入“管道输出流”之后,它会将其传输给“管道输入流”50 public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {51 if (sink == null) {52 throw new IOException("Pipe not connected");53 } else if (b == null) {54 throw new NullPointerException();55 } else if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) ||56 ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0)) {57 throw new IndexOutOfBoundsException();58 } else if (len == 0) {59 return;60 }61 // “管道输入流”接收数据62 sink.receive(b, off, len);63 }64 65 // 清空“管道输出流”。66 // 这里会调用“管道输入流”的notifyAll();67 // 目的是让“管道输入流”放弃对当前资源的占有,让其它的等待线程(等待读取管道输出流的线程)读取“管道输出流”的值。68 public synchronized void flush() throws IOException {69 if (sink != null) {70 synchronized (sink) {71 sink.notifyAll();72 }73 }74 }75 76 // 关闭“管道输出流”。77 // 关闭之后,会调用receivedLast()通知“管道输入流”它已经关闭。78 public void close() throws IOException {79 if (sink != null) {80 sink.receivedLast();81 }82 }83 }
2. PipedInputStream 源码分析(基于jdk1.7.40)
1 package java.io; 2 3 public class PipedInputStream extends InputStream { 4 // “管道输出流”是否关闭的标记 5 boolean closedByWriter = false; 6 // “管道输入流”是否关闭的标记 7 volatile boolean closedByReader = false; 8 // “管道输入流”与“管道输出流”是否连接的标记 9 // 它在PipedOutputStream的connect()连接函数中被设置为true 10 boolean connected = false; 11 12 Thread readSide; // 读取“管道”数据的线程 13 Thread writeSide; // 向“管道”写入数据的线程 14 15 // “管道”的默认大小 16 private static final int DEFAULT_PIPE_SIZE = 1024; 17 18 protected static final int PIPE_SIZE = DEFAULT_PIPE_SIZE; 19 20 // 缓冲区 21 protected byte buffer[]; 22 23 //下一个写入字节的位置。in==out代表满,说明“写入的数据”全部被读取了。 24 protected int in = -1; 25 //下一个读取字节的位置。in==out代表满,说明“写入的数据”全部被读取了。 26 protected int out = 0; 27 28 // 构造函数:指定与“管道输入流”关联的“管道输出流” 29 public PipedInputStream(PipedOutputStream src) throws IOException { 30 this(src, DEFAULT_PIPE_SIZE); 31 } 32 33 // 构造函数:指定与“管道输入流”关联的“管道输出流”,以及“缓冲区大小” 34 public PipedInputStream(PipedOutputStream src, int pipeSize) 35 throws IOException { 36 initPipe(pipeSize); 37 connect(src); 38 } 39 40 // 构造函数:默认缓冲区大小是1024字节 41 public PipedInputStream() { 42 initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE); 43 } 44 45 // 构造函数:指定缓冲区大小是pipeSize 46 public PipedInputStream(int pipeSize) { 47 initPipe(pipeSize); 48 } 49 50 // 初始化“管道”:新建缓冲区大小 51 private void initPipe(int pipeSize) { 52 if (pipeSize <= 0) { 53 throw new IllegalArgumentException("Pipe Size <= 0"); 54 } 55 buffer = new byte[pipeSize]; 56 } 57 58 // 将“管道输入流”和“管道输出流”绑定。 59 // 实际上,这里调用的是PipedOutputStream的connect()函数 60 public void connect(PipedOutputStream src) throws IOException { 61 src.connect(this); 62 } 63 64 // 接收int类型的数据b。 65 // 它只会在PipedOutputStream的write(int b)中会被调用 66 protected synchronized void receive(int b) throws IOException { 67 // 检查管道状态 68 checkStateForReceive(); 69 // 获取“写入管道”的线程 70 writeSide = Thread.currentThread(); 71 // 若“写入管道”的数据正好全部被读取完,则等待。 72 if (in == out) 73 awaitSpace(); 74 if (in < 0) { 75 in = 0; 76 out = 0; 77 } 78 // 将b保存到缓冲区 79 buffer[in++] = (byte)(b & 0xFF); 80 if (in >= buffer.length) { 81 in = 0; 82 } 83 } 84 85 // 接收字节数组b。 86 synchronized void receive(byte b[], int off, int len) throws IOException { 87 // 检查管道状态 88 checkStateForReceive(); 89 // 获取“写入管道”的线程 90 writeSide = Thread.currentThread(); 91 int bytesToTransfer = len; 92 while (bytesToTransfer > 0) { 93 // 若“写入管道”的数据正好全部被读取完,则等待。 94 if (in == out) 95 awaitSpace(); 96 int nextTransferAmount = 0; 97 // 如果“管道中被读取的数据,少于写入管道的数据”; 98 // 则设置nextTransferAmount=“buffer.length - in” 99 if (out < in) {100 nextTransferAmount = buffer.length - in;101 } else if (in < out) { // 如果“管道中被读取的数据,大于/等于写入管道的数据”,则执行后面的操作102 // 若in==-1(即管道的写入数据等于被读取数据),此时nextTransferAmount = buffer.length - in;103 // 否则,nextTransferAmount = out - in;104 if (in == -1) {105 in = out = 0;106 nextTransferAmount = buffer.length - in;107 } else {108 nextTransferAmount = out - in;109 }110 }111 if (nextTransferAmount > bytesToTransfer)112 nextTransferAmount = bytesToTransfer;113 // assert断言的作用是,若nextTransferAmount <= 0,则终止程序。114 assert(nextTransferAmount > 0);115 // 将数据写入到缓冲中116 System.arraycopy(b, off, buffer, in, nextTransferAmount);117 bytesToTransfer -= nextTransferAmount;118 off += nextTransferAmount;119 in += nextTransferAmount;120 if (in >= buffer.length) {121 in = 0;122 }123 }124 }125 126 // 检查管道状态127 private void checkStateForReceive() throws IOException {128 if (!connected) {129 throw new IOException("Pipe not connected");130 } else if (closedByWriter || closedByReader) {131 throw new IOException("Pipe closed");132 } else if (readSide != null && !readSide.isAlive()) {133 throw new IOException("Read end dead");134 }135 }136 137 // 等待。138 // 若“写入管道”的数据正好全部被读取完(例如,管道缓冲满),则执行awaitSpace()操作;139 // 它的目的是让“读取管道的线程”管道产生读取数据请求,从而才能继续的向“管道”中写入数据。140 private void awaitSpace() throws IOException {141 142 // 如果“管道中被读取的数据,等于写入管道的数据”时,143 // 则每隔1000ms检查“管道状态”,并唤醒管道操作:若有“读取管道数据线程被阻塞”,则唤醒该线程。144 while (in == out) {145 checkStateForReceive();146 147 /* full: kick any waiting readers */148 notifyAll();149 try {150 wait(1000);151 } catch (InterruptedException ex) {152 throw new java.io.InterruptedIOException();153 }154 }155 }156 157 // 当PipedOutputStream被关闭时,被调用158 synchronized void receivedLast() {159 closedByWriter = true;160 notifyAll();161 }162 163 // 从管道(的缓冲)中读取一个字节,并将其转换成int类型164 public synchronized int read() throws IOException {165 if (!connected) {166 throw new IOException("Pipe not connected");167 } else if (closedByReader) {168 throw new IOException("Pipe closed");169 } else if (writeSide != null && !writeSide.isAlive()170 && !closedByWriter && (in < 0)) {171 throw new IOException("Write end dead");172 }173 174 readSide = Thread.currentThread();175 int trials = 2;176 while (in < 0) {177 if (closedByWriter) {178 /* closed by writer, return EOF */179 return -1;180 }181 if ((writeSide != null) && (!writeSide.isAlive()) && (--trials < 0)) {182 throw new IOException("Pipe broken");183 }184 /* might be a writer waiting */185 notifyAll();186 try {187 wait(1000);188 } catch (InterruptedException ex) {189 throw new java.io.InterruptedIOException();190 }191 }192 int ret = buffer[out++] & 0xFF;193 if (out >= buffer.length) {194 out = 0;195 }196 if (in == out) {197 /* now empty */198 in = -1;199 }200 201 return ret;202 }203 204 // 从管道(的缓冲)中读取数据,并将其存入到数组b中205 public synchronized int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {206 if (b == null) {207 throw new NullPointerException();208 } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {209 throw new IndexOutOfBoundsException();210 } else if (len == 0) {211 return 0;212 }213 214 /* possibly wait on the first character */215 int c = read();216 if (c < 0) {217 return -1;218 }219 b[off] = (byte) c;220 int rlen = 1;221 while ((in >= 0) && (len > 1)) {222 223 int available;224 225 if (in > out) {226 available = Math.min((buffer.length - out), (in - out));227 } else {228 available = buffer.length - out;229 }230 231 // A byte is read beforehand outside the loop232 if (available > (len - 1)) {233 available = len - 1;234 }235 System.arraycopy(buffer, out, b, off + rlen, available);236 out += available;237 rlen += available;238 len -= available;239 240 if (out >= buffer.length) {241 out = 0;242 }243 if (in == out) {244 /* now empty */245 in = -1;246 }247 }248 return rlen;249 }250 251 // 返回不受阻塞地从此输入流中读取的字节数。252 public synchronized int available() throws IOException {253 if(in < 0)254 return 0;255 else if(in == out)256 return buffer.length;257 else if (in > out)258 return in - out;259 else260 return in + buffer.length - out;261 }262 263 // 关闭管道输入流264 public void close() throws IOException {265 closedByReader = true;266 synchronized (this) {267 in = -1;268 }269 }270 }
管道通信示例
下面,我们看看多线程中通过管道通信的例子。例子中包括3个类:Receiver.java, PipedStreamTest.java 和 Sender.java。
Receiver.java的代码如下:
1 import java.io.IOException; 2 3 import java.io.PipedInputStream; 4 5 @SuppressWarnings("all") 6 /** 7 * 接收者线程 8 */ 9 public class Receiver extends Thread { 10 11 // 管道输入流对象。12 // 它和“管道输出流(PipedOutputStream)”对象绑定,13 // 从而可以接收“管道输出流”的数据,再让用户读取。14 private PipedInputStream in = new PipedInputStream(); 15 16 // 获得“管道输入流”对象17 public PipedInputStream getInputStream(){ 18 return in; 19 } 20 21 @Override22 public void run(){ 23 readMessageOnce() ;24 //readMessageContinued() ;25 }26 27 // 从“管道输入流”中读取1次数据28 public void readMessageOnce(){29 // 虽然buf的大小是2048个字节,但最多只会从“管道输入流”中读取1024个字节。30 // 因为,“管道输入流”的缓冲区大小默认只有1024个字节。31 byte[] buf = new byte[2048];32 try {33 int len = in.read(buf);34 System.out.println(new String(buf,0,len));35 in.close();36 } catch (IOException e) {37 e.printStackTrace();38 }39 }40 // 从“管道输入流”读取>1024个字节时,就停止读取41 public void readMessageContinued() {42 int total=0;43 while(true) {44 byte[] buf = new byte[1024];45 try {46 int len = in.read(buf);47 total += len;48 System.out.println(new String(buf,0,len));49 // 若读取的字节总数>1024,则退出循环。50 if (total > 1024)51 break;52 } catch (IOException e) {53 e.printStackTrace();54 }55 }56 57 try {58 in.close();59 } catch (IOException e) {60 e.printStackTrace();61 }62 }63 }
Sender.java的代码如下:
1 import java.io.IOException; 2 3 import java.io.PipedOutputStream; 4 @SuppressWarnings("all") 5 /** 6 * 发送者线程 7 */ 8 public class Sender extends Thread { 9 10 // 管道输出流对象。11 // 它和“管道输入流(PipedInputStream)”对象绑定,12 // 从而可以将数据发送给“管道输入流”的数据,然后用户可以从“管道输入流”读取数据。13 private PipedOutputStream out = new PipedOutputStream();14 15 // 获得“管道输出流”对象16 public PipedOutputStream getOutputStream(){17 return out;18 } 19 20 @Override21 public void run(){ 22 writeShortMessage();23 //writeLongMessage();24 } 25 26 // 向“管道输出流”中写入一则较简短的消息:"this is a short message" 27 private void writeShortMessage() {28 String strInfo = "this is a short message" ;29 try {30 out.write(strInfo.getBytes());31 out.close(); 32 } catch (IOException e) { 33 e.printStackTrace(); 34 } 35 }36 // 向“管道输出流”中写入一则较长的消息37 private void writeLongMessage() {38 StringBuilder sb = new StringBuilder();39 // 通过for循环写入1020个字节40 for (int i=0; i<102; i++)41 sb.append("0123456789");42 // 再写入26个字节。43 sb.append("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");44 // str的总长度是1020+26=1046个字节45 String str = sb.toString();46 try {47 // 将1046个字节写入到“管道输出流”中48 out.write(str.getBytes());49 out.close();50 } catch (IOException e) {51 e.printStackTrace();52 }53 }54 }
PipedStreamTest.java的代码如下:
1 import java.io.PipedInputStream; 2 import java.io.PipedOutputStream; 3 import java.io.IOException; 4 5 @SuppressWarnings("all") 6 /** 7 * 管道输入流和管道输出流的交互程序 8 */ 9 public class PipedStreamTest { 10 11 public static void main(String[] args) { 12 Sender t1 = new Sender(); 13 14 Receiver t2 = new Receiver(); 15 16 PipedOutputStream out = t1.getOutputStream(); 17 18 PipedInputStream in = t2.getInputStream(); 19 20 try { 21 //管道连接。下面2句话的本质是一样。22 //out.connect(in); 23 in.connect(out); 24 25 /** 26 * Thread类的START方法: 27 * 使该线程开始执行;Java 虚拟机调用该线程的 run 方法。 28 * 结果是两个线程并发地运行;当前线程(从调用返回给 start 方法)和另一个线程(执行其 run 方法)。 29 * 多次启动一个线程是非法的。特别是当线程已经结束执行后,不能再重新启动。 30 */31 t1.start();32 t2.start();33 } catch (IOException e) {34 e.printStackTrace();35 }36 }37 }
运行结果:
this is a short message
说明:
(01)
in.connect(out);
将“管道输入流”和“管道输出流”关联起来。查看PipedOutputStream.java和PipedInputStream.java中connect()的源码;我们知道 out.connect(in); 等价于 in.connect(out);
(02)
t1.start(); // 启动“Sender”线程
t2.start(); // 启动“Receiver”线程
先查看Sender.java的源码,线程启动后执行run()函数;在Sender.java的run()中,调用writeShortMessage();
writeShortMessage();的作用就是向“管道输出流”中写入数据"this is a short message" ;这条数据会被“管道输入流”接收到。下面看看这是如何实现的。
先看write(byte b[])的源码,在OutputStream.java中定义。PipedOutputStream.java继承于OutputStream.java;OutputStream.java中write(byte b[])的源码如下:
public void write(byte b[]) throws IOException { write(b, 0, b.length);}
实际上write(byte b[])是调用的PipedOutputStream.java中的write(byte b[], int off, int len)函数。查看write(byte b[], int off, int len)的源码,我们发现:它会调用 sink.receive(b, off, len); 进一步查看receive(byte b[], int off, int len)的定义,我们知道sink.receive(b, off, len)的作用就是:将“管道输出流”中的数据保存到“管道输入流”的缓冲中。而“管道输入流”的缓冲区buffer的默认大小是1024个字节。
至此,我们知道:t1.start()启动Sender线程,而Sender线程会将数据"this is a short message"写入到“管道输出流”;而“管道输出流”又会将该数据传输给“管道输入流”,即而保存在“管道输入流”的缓冲中。
接下来,我们看看“用户如何从‘管道输入流’的缓冲中读取数据”。这实际上就是Receiver线程的动作。
t2.start() 会启动Receiver线程,从而执行Receiver.java的run()函数。查看Receiver.java的源码,我们知道run()调用了readMessageOnce()。
而readMessageOnce()就是调用in.read(buf)从“管道输入流in”中读取数据,并保存到buf中。
通过上面的分析,我们已经知道“管道输入流in”的缓冲中的数据是"this is a short message";因此,buf的数据就是"this is a short message"。
为了加深对管道的理解。我们接着进行下面两个小试验。
试验一:修改Sender.java
将
public void run(){ writeShortMessage(); //writeLongMessage();}
修改为
public void run(){ //writeShortMessage(); writeLongMessage();}
运行程序。运行结果为:
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
012345678901234567890123456789abcd
这些数据是通过writeLongMessage()写入到“管道输出流”,然后传送给“管道输入流”,进而存储在“管道输入流”的缓冲中;再被用户从缓冲读取出来的数据。
然后,观察writeLongMessage()的源码。我们可以发现,str的长度是1046个字节,然后运行结果只有1024个字节!为什么会这样呢?
道理很简单:管道输入流的缓冲区默认大小是1024个字节。所以,最多只能写入1024个字节。
观察PipedInputStream.java的源码,我们能了解的更透彻。
private static final int DEFAULT_PIPE_SIZE = 1024;public PipedInputStream() { initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE);}
默认构造函数调用initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE),它的源码如下:
private void initPipe(int pipeSize) { if (pipeSize <= 0) { throw new IllegalArgumentException("Pipe Size <= 0"); } buffer = new byte[pipeSize];}
从中,我们可以知道缓冲区buffer的默认大小就是1024个字节。
试验二: 在“试验一”的基础上继续修改Receiver.java
将
public void run(){ readMessageOnce() ; //readMessageContinued() ;}
修改为
public void run(){ //readMessageOnce() ; readMessageContinued() ;}
运行程序。运行结果为:
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
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