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。
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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)
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：
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：
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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