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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)
2. PipedInputStream 源码分析(基于jdk1.7.40)
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:
Sender.java的代码如下:
PipedStreamTest.java的代码如下:
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:
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
修改为
运行程序。运行结果为:
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
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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。
默认构造函数调用initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE),它的源码如下:
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
修改为
运行程序。运行结果为:
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
012345678901234567890123456789abcd
efghijklmnopqrstuvwxyz
这个结果才是writeLongMessage()写入到“输入缓冲区”的完整数据。
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)
package java.io; import java.io.*; public class PipedOutputStream extends OutputStream { // 与PipedOutputStream通信的PipedInputStream对象 private PipedInputStream sink; // 构造函数,指定配对的PipedInputStream public PipedOutputStream(PipedInputStream snk) throws IOException { connect(snk); } // 构造函数 public PipedOutputStream() { } // 将“管道输出流” 和 “管道输入流”连接。 public synchronized void connect(PipedInputStream snk) throws IOException { if (snk == null) { throw new NullPointerException(); } else if (sink != null || snk.connected) { throw new IOException("Already connected"); } // 设置“管道输入流” sink = snk; // 初始化“管道输入流”的读写位置 // int是PipedInputStream中定义的,代表“管道输入流”的读写位置 snk.in = -1; // 初始化“管道输出流”的读写位置。 // out是PipedInputStream中定义的,代表“管道输出流”的读写位置 snk.out = 0; // 设置“管道输入流”和“管道输出流”为已连接状态 // 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 snk.connected = true; } // 将int类型b写入“管道输出流”中。 // 将b写入“管道输出流”之后,它会将b传输给“管道输入流” public void write(int b) throws IOException { if (sink == null) { throw new IOException("Pipe not connected"); } sink.receive(b); } // 将字节数组b写入“管道输出流”中。 // 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” public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException { if (sink == null) { throw new IOException("Pipe not connected"); } else if (b == null) { throw new NullPointerException(); } else if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) || ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0)) { throw new IndexOutOfBoundsException(); } else if (len == 0) { return; } // “管道输入流”接收数据 sink.receive(b, off, len); } // 清空“管道输出流”。 // 这里会调用“管道输入流”的notifyAll(); // 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。 public synchronized void flush() throws IOException { if (sink != null) { synchronized (sink) { sink.notifyAll(); } } } // 关闭“管道输出流”。 // 关闭之后,会调用receivedLast()通知“管道输入流”它已经关闭。 public void close() throws IOException { if (sink != null) { sink.receivedLast(); } } }
2. PipedInputStream 源码分析(基于jdk1.7.40)
package java.io; public class PipedInputStream extends InputStream { // “管道输出流”是否关闭的标记 boolean closedByWriter = false; // “管道输入流”是否关闭的标记 volatile boolean closedByReader = false; // “管道输入流”与“管道输出流”是否连接的标记 // 它在PipedOutputStream的connect()连接函数中被设置为true boolean connected = false; Thread readSide; // 读取“管道”数据的线程 Thread writeSide; // 向“管道”写入数据的线程 // “管道”的默认大小 private static final int DEFAULT_PIPE_SIZE = 1024; protected static final int PIPE_SIZE = DEFAULT_PIPE_SIZE; // 缓冲区 protected byte buffer[]; //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。 protected int in = -1; //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。 protected int out = 0; // 构造函数:指定与“管道输入流”关联的“管道输出流” public PipedInputStream(PipedOutputStream src) throws IOException { this(src, DEFAULT_PIPE_SIZE); } // 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” public PipedInputStream(PipedOutputStream src, int pipeSize) throws IOException { initPipe(pipeSize); connect(src); } // 构造函数:默认缓冲区大小是1024字节 public PipedInputStream() { initPipe(DEFAULT_PIPE_SIZE); } // 构造函数:指定缓冲区大小是pipeSize public PipedInputStream(int pipeSize) { initPipe(pipeSize); } // 初始化“管道”:新建缓冲区大小 private void initPipe(int pipeSize) { if (pipeSize <= 0) { throw new IllegalArgumentException("Pipe Size <= 0"); } buffer = new byte[pipeSize]; } // 将“管道输入流”和“管道输出流”绑定。 // 实际上,这里调用的是PipedOutputStream的connect()函数 public void connect(PipedOutputStream src) throws IOException { src.connect(this); } // 接收int类型的数据b。 // 它只会在PipedOutputStream的write(int b)中会被调用 protected synchronized void receive(int b) throws IOException { // 检查管道状态 checkStateForReceive(); // 获取“写入管道”的线程 writeSide = Thread.currentThread(); // 若“写入管道”的数据正好全部被读取完,则等待。 if (in == out) awaitSpace(); if (in < 0) { in = 0; out = 0; } // 将b保存到缓冲区 buffer[in++] = (byte)(b & 0xFF); if (in >= buffer.length) { in = 0; } } // 接收字节数组b。 synchronized void receive(byte b[], int off, int len) throws IOException { // 检查管道状态 checkStateForReceive(); // 获取“写入管道”的线程 writeSide = Thread.currentThread(); int bytesToTransfer = len; while (bytesToTransfer > 0) { // 若“写入管道”的数据正好全部被读取完,则等待。 if (in == out) awaitSpace(); int nextTransferAmount = 0; // 如果“管道中被读取的数据,少于写入管道的数据”; // 则设置nextTransferAmount=“buffer.length - in” if (out < in) { nextTransferAmount = buffer.length - in; } 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 // 若in==-1(即管道的写入数据等于被读取数据),此时nextTransferAmount = buffer.length - in; // 否则,nextTransferAmount = out - in; if (in == -1) { in = out = 0; nextTransferAmount = buffer.length - in; } else { nextTransferAmount = out - in; } } if (nextTransferAmount > bytesToTransfer) nextTransferAmount = bytesToTransfer; // assert断言的作用是,若nextTransferAmount <= 0,则终止程序。 assert(nextTransferAmount > 0); // 将数据写入到缓冲中 System.arraycopy(b, off, buffer, in, nextTransferAmount); bytesToTransfer -= nextTransferAmount; off += nextTransferAmount; in += nextTransferAmount; if (in >= buffer.length) { in = 0; } } } // 检查管道状态 private void checkStateForReceive() throws IOException { if (!connected) { throw new IOException("Pipe not connected"); } else if (closedByWriter || closedByReader) { throw new IOException("Pipe closed"); } else if (readSide != null && !readSide.isAlive()) { throw new IOException("Read end dead"); } } // 等待。 // 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; // 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。 private void awaitSpace() throws IOException { // 如果“管道中被读取的数据,等于写入管道的数据”时, // 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。 while (in == out) { checkStateForReceive(); /* full: kick any waiting readers */ notifyAll(); try { wait(1000); } catch (InterruptedException ex) { throw new java.io.InterruptedIOException(); } } } // 当PipedOutputStream被关闭时,被调用 synchronized void receivedLast() { closedByWriter = true; notifyAll(); } // 从管道(的缓冲)中读取一个字节,并将其转换成int类型 public synchronized int read() throws IOException { if (!connected) { throw new IOException("Pipe not connected"); } else if (closedByReader) { throw new IOException("Pipe closed"); } else if (writeSide != null && !writeSide.isAlive() && !closedByWriter && (in < 0)) { throw new IOException("Write end dead"); } readSide = Thread.currentThread(); int trials = 2; while (in < 0) { if (closedByWriter) { /* closed by writer, return EOF */ return -1; } if ((writeSide != null) && (!writeSide.isAlive()) && (--trials < 0)) { throw new IOException("Pipe broken"); } /* might be a writer waiting */ notifyAll(); try { wait(1000); } catch (InterruptedException ex) { throw new java.io.InterruptedIOException(); } } int ret = buffer[out++] & 0xFF; if (out >= buffer.length) { out = 0; } if (in == out) { /* now empty */ in = -1; } return ret; } // 从管道(的缓冲)中读取数据,并将其存入到数组b中 public synchronized int read(byte b[], int off, int len) throws IOException { if (b == null) { throw new NullPointerException(); } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) { throw new IndexOutOfBoundsException(); } else if (len == 0) { return 0; } /* possibly wait on the first character */ int c = read(); if (c < 0) { return -1; } b[off] = (byte) c; int rlen = 1; while ((in >= 0) && (len > 1)) { int available; if (in > out) { available = Math.min((buffer.length - out), (in - out)); } else { available = buffer.length - out; } // A byte is read beforehand outside the loop if (available > (len - 1)) { available = len - 1; } System.arraycopy(buffer, out, b, off + rlen, available); out += available; rlen += available; len -= available; if (out >= buffer.length) { out = 0; } if (in == out) { /* now empty */ in = -1; } } return rlen; } // 返回不受阻塞地从此输入流中读取的字节数。 public synchronized int available() throws IOException { if(in < 0) return 0; else if(in == out) return buffer.length; else if (in > out) return in - out; else return in + buffer.length - out; } // 关闭管道输入流 public void close() throws IOException { closedByReader = true; synchronized (this) { in = -1; } } }
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:
import java.io.IOException; import java.io.PipedInputStream; @SuppressWarnings("all") /** * 接收者线程 */ public class Receiver extends Thread { // 管道输入流对象。 // 它和“管道输出流(PipedOutputStream)”对象绑定, // 从而可以接收“管道输出流”的数据,再让用户读取。 private PipedInputStream in = new PipedInputStream(); // 获得“管道输入流”对象 public PipedInputStream getInputStream(){ return in; } @Override public void run(){ readMessageOnce() ; //readMessageContinued() ; } // 从“管道输入流”中读取1次数据 public void readMessageOnce(){ // 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。 // 因为,“管道输入流”的缓冲区大小默认只有1024个字节。 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(); } } // 从“管道输入流”读取>1024个字节时,就停止读取 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)); // 若读取的字节总数>1024,则退出循环。 if (total > 1024) break; } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } try { in.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
Sender.java的代码如下:
import java.io.IOException; import java.io.PipedOutputStream; @SuppressWarnings("all") /** * 发送者线程 */ public class Sender extends Thread { // 管道输出流对象。 // 它和“管道输入流(PipedInputStream)”对象绑定, // 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。 private PipedOutputStream out = new PipedOutputStream(); // 获得“管道输出流”对象 public PipedOutputStream getOutputStream(){ return out; } @Override public void run(){ writeShortMessage(); //writeLongMessage(); } // 向“管道输出流”中写入一则较简短的消息:"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“管道输出流”中写入一则较长的消息 private void writeLongMessage() { StringBuilder sb = new StringBuilder(); // 通过for循环写入1020个字节 for (int i=0; i<102; i++) sb.append("0123456789"); // 再写入26个字节。 sb.append("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"); // str的总长度是1020+26=1046个字节 String str = sb.toString(); try { // 将1046个字节写入到“管道输出流”中 out.write(str.getBytes()); out.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
PipedStreamTest.java的代码如下:
import java.io.PipedInputStream; import java.io.PipedOutputStream; import java.io.IOException; @SuppressWarnings("all") /** * 管道输入流和管道输出流的交互程序 */ 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 { //管道连接。下面2句话的本质是一样。 //out.connect(in); in.connect(out); /** * Thread类的START方法: * 使该线程开始执行;Java 虚拟机调用该线程的 run 方法。 * 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)。 * 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。 */ t1.start(); t2.start(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
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
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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
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01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
012345678901234567890123456789abcd
efghijklmnopqrstuvwxyz
这个结果才是writeLongMessage()写入到“输入缓冲区”的完整数据。
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