舉例講解Java中Piped管道輸入輸出流的線程通信控制
PipedOutputStream和PipedInputStream
在java中，PipedOutputStream和PipedInputStream分別是管道輸出流和管道輸入流。
它們的作用是讓多線程可以通過管道進(jìn)行線程間的通訊。在使用管道通信時，必須將PipedOutputStream和PipedInputStream配套使用。
使用管道通信時，大致的流程是：我們在線程A中向PipedOutputStream中寫入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會自動的發(fā)送到與PipedOutputStream對應(yīng)的PipedInputStream中，進(jìn)而存儲在PipedInputStream的緩沖中；此時，線程B通過讀取PipedInputStream中的數(shù)據(jù)。就可以實現(xiàn)，線程A和線程B的通信。
下面，我們看看多線程中通過管道通信的例子。例子中包括3個類：Receiver.java, PipedStreamTest.java 和 Sender.java。
Receiver.java的代碼如下：
import java.io.IOException;
import java.io.PipedInputStream;
@SuppressWarnings("all")
/**
* 接收者線程
*/
public class Receiver extends Thread {
// 管道輸入流對象。
// 它和“管道輸出流(PipedOutputStream)”對象綁定，
// 從而可以接收“管道輸出流”的數(shù)據(jù)，再讓用戶讀取。
private PipedInputStream in = new PipedInputStream();
// 獲得“管道輸入流”對象
public PipedInputStream getInputStream(){
return in;
}
@Override
public void run(){
readMessageOnce() ;
//readMessageContinued() ;
}
// 從“管道輸入流”中讀取1次數(shù)據(jù)
public void readMessageOnce(){
// 雖然buf的大小是2048個字節(jié)，但最多只會從“管道輸入流”中讀取1024個字節(jié)。
// 因為，“管道輸入流”的緩沖區(qū)大小默認(rèn)只有1024個字節(jié)。
byte[] buf = new byte[2048];
try {
int len = in.read(buf);
System.out.println(new String(buf,0,len));
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 從“管道輸入流”讀取>1024個字節(jié)時，就停止讀取
public void readMessageContinued() {
int total=0;
while(true) {
byte[] buf = new byte[1024];
try {
int len = in.read(buf);
total += len;
System.out.println(new String(buf,0,len));
// 若讀取的字節(jié)總數(shù)>1024，則退出循環(huán)。
if (total > 1024)
break;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Sender.java的代碼如下：
import java.io.IOException;
import java.io.PipedOutputStream;
@SuppressWarnings("all")
/**
* 發(fā)送者線程
*/
public class Sender extends Thread {
// 管道輸出流對象。
// 它和“管道輸入流(PipedInputStream)”對象綁定，
// 從而可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給“管道輸入流”的數(shù)據(jù)，然后用戶可以從“管道輸入流”讀取數(shù)據(jù)。
private PipedOutputStream out = new PipedOutputStream();
// 獲得“管道輸出流”對象
public PipedOutputStream getOutputStream(){
return out;
}
@Override
public void run(){
writeShortMessage();
//writeLongMessage();
}
// 向“管道輸出流”中寫入一則較簡短的消息："this is a short message"
private void writeShortMessage() {
String strInfo = "this is a short message" ;
try {
out.write(strInfo.getBytes());
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 向“管道輸出流”中寫入一則較長的消息
private void writeLongMessage() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
// 通過for循環(huán)寫入1020個字節(jié)
for (int i=0; i<102; i++)
sb.append("0123456789");
// 再寫入26個字節(jié)。
sb.append("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");
// str的總長度是1020+26=1046個字節(jié)
String str = sb.toString();
try {
// 將1046個字節(jié)寫入到“管道輸出流”中
out.write(str.getBytes());
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
PipedStreamTest.java的代碼如下：
import java.io.PipedInputStream;
import java.io.PipedOutputStream;
import java.io.IOException;
@SuppressWarnings("all")
/**
* 管道輸入流和管道輸出流的交互程序
*/
public class PipedStreamTest {
public static void main(String[] args) {
Sender t1 = new Sender();
Receiver t2 = new Receiver();
PipedOutputStream out = t1.getOutputStream();
PipedInputStream in = t2.getInputStream();
try {
//管道連接。下面2句話的本質(zhì)是一樣。
//out.connect(in);
in.connect(out);
/**
* Thread類的START方法：
* 使該線程開始執(zhí)行；Java 虛擬機(jī)調(diào)用該線程的 run 方法。
* 結(jié)果是兩個線程并發(fā)地運(yùn)行；當(dāng)前線程（從調(diào)用返回給 start 方法）和另一個線程（執(zhí)行其 run 方法）。
* 多次啟動一個線程是非法的。特別是當(dāng)線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行后，不能再重新啟動。
*/
t1.start();
t2.start();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
運(yùn)行結(jié)果：
this is a short message
說明：
(1) in.connect(out);將“管道輸入流”和“管道輸出流”關(guān)聯(lián)起來。查看PipedOutputStream.java和PipedInputStream.java中connect()的源碼；我們知道 out.connect(in); 等價于 in.connect(out);
(2)
t1.start(); // 啟動“Sender”線程 t2.start(); // 啟動“Receiver”線程
先查看Sender.java的源碼，線程啟動后執(zhí)行run()函數(shù)；在Sender.java的run()中，調(diào)用writeShortMessage();
writeShortMessage();的作用就是向“管道輸出流”中寫入數(shù)據(jù)"this is a short message" ；這條數(shù)據(jù)會被“管道輸入流”接收到。下面看看這是如何實現(xiàn)的。
先看write(byte b[])的源碼，在OutputStream.java中定義。PipedOutputStream.java繼承于OutputStream.java；OutputStream.java中write(byte b[])的源碼如下：
public void write(byte b[]) throws IOException {
write(b, 0, b.length);
}
實際上write(byte b[])是調(diào)用的PipedOutputStream.java中的write(byte b[], int off, int len)函數(shù)。查看write(byte b[], int off, int len)的源碼，我們發(fā)現(xiàn)：它會調(diào)用 sink.receive(b, off, len); 進(jìn)一步查看receive(byte b[], int off, int len)的定義，我們知道sink.receive(b, off, len)的作用就是：將“管道輸出流”中的數(shù)據(jù)保存到“管道輸入流”的緩沖中。而“管道輸入流”的緩沖區(qū)buffer的默認(rèn)大小是1024個字節(jié)。
至此，我們知道：t1.start()啟動Sender線程，而Sender線程會將數(shù)據(jù)"this is a short message"寫入到“管道輸出流”；而“管道輸出流”又會將該數(shù)據(jù)傳輸給“管道輸入流”，即而保存在“管道輸入流”的緩沖中。
接下來，我們看看“用戶如何從‘管道輸入流'的緩沖中讀取數(shù)據(jù)”。這實際上就是Receiver線程的動作。
t2.start() 會啟動Receiver線程，從而執(zhí)行Receiver.java的run()函數(shù)。查看Receiver.java的源碼，我們知道run()調(diào)用了readMessageOnce()。
而readMessageOnce()就是調(diào)用in.read(buf)從“管道輸入流in”中讀取數(shù)據(jù)，并保存到buf中。
通過上面的分析，我們已經(jīng)知道“管道輸入流in”的緩沖中的數(shù)據(jù)是"this is a short message"；因此，buf的數(shù)據(jù)就是"this is a short message"。
為了加深對管道的理解。我們接著進(jìn)行下面兩個小試驗。
試驗一：修改Sender.java
將
public void run(){
writeShortMessage();
//writeLongMessage();
}
修改為
public void run(){
//writeShortMessage();
writeLongMessage();
}
運(yùn)行程序。運(yùn)行結(jié)果為：
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 012345678901234567890123456789abcd
這些數(shù)據(jù)是通過writeLongMessage()寫入到“管道輸出流”，然后傳送給“管道輸入流”，進(jìn)而存儲在“管道輸入流”的緩沖中；再被用戶從緩沖讀取出來的數(shù)據(jù)。
然后，觀察writeLongMessage()的源碼。我們可以發(fā)現(xiàn)，str的長度是1046個字節(jié)，然后運(yùn)行結(jié)果只有1024個字節(jié)！為什么會這樣呢？
道理很簡單：管道輸入流的緩沖區(qū)默認(rèn)大小是1024個字節(jié)。所以，最多只能寫入1024個字節(jié)。
觀察PipedInputStream.java的源碼，我們能了解的更透徹。
private static final int DEFAULT_PIPE_SIZE = 1024;
public PipedInputStream() {
initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE);
}
默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)調(diào)用initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE)，它的源碼如下：
private void initPipe(int pipeSize) {
if (pipeSize <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("Pipe Size <= 0");
}
buffer = new byte[pipeSize];
}
從中，我們可以知道緩沖區(qū)buffer的默認(rèn)大小就是1024個字節(jié)。
試驗二： 在“試驗一”的基礎(chǔ)上繼續(xù)修改Receiver.java
將
public void run(){
readMessageOnce() ;
//readMessageContinued() ;
}
修改為
public void run(){
//readMessageOnce() ;
readMessageContinued() ;
}
運(yùn)行程序。運(yùn)行結(jié)果為：
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 012345678901234567890123456789abcd efghijklmnopqrstuvwxyz
這個結(jié)果才是writeLongMessage()寫入到“輸入緩沖區(qū)”的完整數(shù)據(jù)。
PipedWriter和PipedReader
PipedWriter 是字符管道輸出流，它繼承于Writer。
PipedReader 是字符管道輸入流，它繼承于Writer。
PipedWriter和PipedReader的作用是可以通過管道進(jìn)行線程間的通訊。在使用管道通信時，必須將PipedWriter和PipedReader配套使用。
下面，我們看看多線程中通過PipedWriter和PipedReader通信的例子。例子中包括3個類：Receiver.java, Sender.java 和 PipeTest.java
Receiver.java的代碼如下：
import java.io.IOException;
import java.io.PipedReader;
@SuppressWarnings("all")
/**
* 接收者線程
*/
public class Receiver extends Thread {
// 管道輸入流對象。
// 它和“管道輸出流(PipedWriter)”對象綁定，
// 從而可以接收“管道輸出流”的數(shù)據(jù)，再讓用戶讀取。
private PipedReader in = new PipedReader();
// 獲得“管道輸入流對象”
public PipedReader getReader(){
return in;
}
@Override
public void run(){
readMessageOnce() ;
//readMessageContinued() ;
}
// 從“管道輸入流”中讀取1次數(shù)據(jù)
public void readMessageOnce(){
// 雖然buf的大小是2048個字符，但最多只會從“管道輸入流”中讀取1024個字符。
// 因為，“管道輸入流”的緩沖區(qū)大小默認(rèn)只有1024個字符。
char[] buf = new char[2048];
try {
int len = in.read(buf);
System.out.println(new String(buf,0,len));
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 從“管道輸入流”讀取>1024個字符時，就停止讀取
public void readMessageContinued(){
int total=0;
while(true) {
char[] buf = new char[1024];
try {
int len = in.read(buf);
total += len;
System.out.println(new String(buf,0,len));
// 若讀取的字符總數(shù)>1024，則退出循環(huán)。
if (total > 1024)
break;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Sender.java的代碼如下：
import java.io.IOException;
import java.io.PipedWriter;
@SuppressWarnings("all")
/**
* 發(fā)送者線程
*/
public class Sender extends Thread {
// 管道輸出流對象。
// 它和“管道輸入流(PipedReader)”對象綁定，
// 從而可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給“管道輸入流”的數(shù)據(jù)，然后用戶可以從“管道輸入流”讀取數(shù)據(jù)。
private PipedWriter out = new PipedWriter();
// 獲得“管道輸出流”對象
public PipedWriter getWriter(){
return out;
}
@Override
public void run(){
writeShortMessage();
//writeLongMessage();
}
// 向“管道輸出流”中寫入一則較簡短的消息："this is a short message"
private void writeShortMessage() {
String strInfo = "this is a short message" ;
try {
out.write(strInfo.toCharArray());
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 向“管道輸出流”中寫入一則較長的消息
private void writeLongMessage() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
// 通過for循環(huán)寫入1020個字符
for (int i=0; i<102; i++)
sb.append("0123456789");
// 再寫入26個字符。
sb.append("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");
// str的總長度是1020+26=1046個字符
String str = sb.toString();
try {
// 將1046個字符寫入到“管道輸出流”中
out.write(str);
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
PipeTest.java的代碼如下：
import java.io.PipedReader;
import java.io.PipedWriter;
import java.io.IOException;
@SuppressWarnings("all")
/**
* 管道輸入流和管道輸出流的交互程序
*/
public class PipeTest {
public static void main(String[] args) {
Sender t1 = new Sender();
Receiver t2 = new Receiver();
PipedWriter out = t1.getWriter();
PipedReader in = t2.getReader();
try {
//管道連接。下面2句話的本質(zhì)是一樣。
//out.connect(in);
in.connect(out);
/**
* Thread類的START方法：
* 使該線程開始執(zhí)行；Java 虛擬機(jī)調(diào)用該線程的 run 方法。
* 結(jié)果是兩個線程并發(fā)地運(yùn)行；當(dāng)前線程（從調(diào)用返回給 start 方法）和另一個線程（執(zhí)行其 run 方法）。
* 多次啟動一個線程是非法的。特別是當(dāng)線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行后，不能再重新啟動。
*/
t1.start();
t2.start();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
運(yùn)行結(jié)果：
this is a short message
結(jié)果說明：
(1)
in.connect(out);
它的作用是將“管道輸入流”和“管道輸出流”關(guān)聯(lián)起來。查看PipedWriter.java和PipedReader.java中connect()的源碼；我們知道 out.connect(in); 等價于 in.connect(out);
(2)
t1.start(); // 啟動“Sender”線程 t2.start(); // 啟動“Receiver”線程
先查看Sender.java的源碼，線程啟動后執(zhí)行run()函數(shù)；在Sender.java的run()中，調(diào)用writeShortMessage();
writeShortMessage();的作用就是向“管道輸出流”中寫入數(shù)據(jù)"this is a short message" ；這條數(shù)據(jù)會被“管道輸入流”接收到。下面看看這是如何實現(xiàn)的。
先看write(char char的源碼。PipedWriter.java繼承于Writer.java；Writer.java中write(char c[])的源碼如下：
public void write(char cbuf[]) throws IOException {
write(cbuf, 0, cbuf.length);
}
實際上write(char c[])是調(diào)用的PipedWriter.java中的write(char c[], int off, int len)函數(shù)。查看write(char c[], int off, int len)的源碼，我們發(fā)現(xiàn)：它會調(diào)用 sink.receive(cbuf, off, len); 進(jìn)一步查看receive(char c[], int off, int len)的定義，我們知道sink.receive(cbuf, off, len)的作用就是：將“管道輸出流”中的數(shù)據(jù)保存到“管道輸入流”的緩沖中。而“管道輸入流”的緩沖區(qū)buffer的默認(rèn)大小是1024個字符。
至此，我們知道：t1.start()啟動Sender線程，而Sender線程會將數(shù)據(jù)"this is a short message"寫入到“管道輸出流”；而“管道輸出流”又會將該數(shù)據(jù)傳輸給“管道輸入流”，即而保存在“管道輸入流”的緩沖中。
接下來，我們看看“用戶如何從‘管道輸入流'的緩沖中讀取數(shù)據(jù)”。這實際上就是Receiver線程的動作。
t2.start() 會啟動Receiver線程，從而執(zhí)行Receiver.java的run()函數(shù)。查看Receiver.java的源碼，我們知道run()調(diào)用了readMessageOnce()。
而readMessageOnce()就是調(diào)用in.read(buf)從“管道輸入流in”中讀取數(shù)據(jù)，并保存到buf中。
通過上面的分析，我們已經(jīng)知道“管道輸入流in”的緩沖中的數(shù)據(jù)是"this is a short message"；因此，buf的數(shù)據(jù)就是"this is a short message"。
為了加深對管道的理解。我們接著進(jìn)行下面兩個小試驗。
試驗一：修改Sender.java
將
public void run(){
writeShortMessage();
//writeLongMessage();
}
修改為
public void run(){
//writeShortMessage();
writeLongMessage();
}
運(yùn)行程序。運(yùn)行結(jié)果如下：
從中，我們看出，程序運(yùn)行出錯！拋出異常 java.io.IOException: Pipe closed
為什么會這樣呢？
我分析一下程序流程。
(1) 在PipeTest中，通過in.connect(out)將輸入和輸出管道連接起來；然后，啟動兩個線程。t1.start()啟動了線程Sender，t2.start()啟動了線程Receiver。
(2) Sender線程啟動后，通過writeLongMessage()寫入數(shù)據(jù)到“輸出管道”，out.write(str.toCharArray())共寫入了1046個字符。而根據(jù)PipedWriter的源碼，PipedWriter的write()函數(shù)會調(diào)用PipedReader的receive()函數(shù)。而觀察PipedReader的receive()函數(shù)，我們知道，PipedReader會將接受的數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)。仔細(xì)觀察receive()函數(shù)，有如下代碼：
while (in == out) {
if ((readSide != null) && !readSide.isAlive()) {
throw new IOException("Pipe broken");
}
/* full: kick any waiting readers */
notifyAll();
try {
wait(1000);
} catch (InterruptedException ex) {
throw new java.io.InterruptedIOException();
}
}
而in和out的初始值分別是in=-1, out=0；結(jié)合上面的while(in==out)。我們知道，它的含義就是，每往管道中寫入一個字符，就達(dá)到了in==out這個條件。然后，就調(diào)用notifyAll()，喚醒“讀取管道的線程”。
也就是，每往管道中寫入一個字符，都會阻塞式的等待其它線程讀取。
然而，PipedReader的緩沖區(qū)的默認(rèn)大小是1024！但是，此時要寫入的數(shù)據(jù)卻有1046！所以，一次性最多只能寫入1024個字符。
(03) Receiver線程啟動后，會調(diào)用readMessageOnce()讀取管道輸入流。讀取1024個字符會，會調(diào)用close()關(guān)閉，管道。
由(02)和(03)的分析可知，Sender要往管道寫入1046個字符。其中，前1024個字符(緩沖區(qū)容量是1024)能正常寫入，并且每寫入一個就讀取一個。當(dāng)寫入1025個字符時，依然是依次的調(diào)用PipedWriter.java中的write()；然后，write()中調(diào)用PipedReader.java中的receive()；在PipedReader.java中，最終又會調(diào)用到receive(int c)函數(shù)。 而此時，管道輸入流已經(jīng)被關(guān)閉，也就是closedByReader為true，所以拋出throw new IOException("Pipe closed")。
我們對“試驗一”繼續(xù)進(jìn)行修改，解決該問題。
試驗二： 在“試驗一”的基礎(chǔ)上繼續(xù)修改Receiver.java 將
public void run(){
readMessageOnce() ;
//readMessageContinued() ;
}
修改為
public void run(){
//readMessageOnce() ;
readMessageContinued() ;
}
此時，程序能正常運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果為：
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789 012345678901234567890123456789abcd efghijklmnopqrstuvwxyz
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