JAVA 管道流
关键字: java管道流
即使在图形用户界面占统治地位的今天，控制台输出仍旧在Java程序中占有重要地位。控制台不仅是Java程序默认的堆栈跟踪和错误信息输出窗口，而且还是一种实用的调试工具（特别是对习惯于使用println()的人来说）。然而，控制台窗口有着许多局限。例如在Windows 9x平台上，DOS控制台只能容纳50行输出。如果Java程序一次性向控制台输出大量内容，要查看这些内容就很困难了。
对于使用javaw这个启动程序的开发者来说，控制台窗口尤其宝贵。因为用javaw启动java程序时，根本不会有控制台窗口出现。如果程序遇到了问题并抛出异常，根本无法查看Java运行时环境写入到System.out或System.err的调用堆栈跟踪信息。为了捕获堆栈信息，一些人采取了用 try/catch()块封装main()的方式，但这种方式不一定总是有效，在Java运行时的某些时刻，一些描述性错误信息会在抛出异常之前被写入 System.out和System.err；除非能够监测这两个控制台流，否则这些信息就无法看到。
因此，有些时候检查Java运行时环境（或第三方程序）写入到控制台流的数据并采取合适的操作是十分必要的。本文讨论的主题之一就是创建这样一个输入流，从这个输入流中可以读入以前写入Java控制台流（或任何其他程序的输出流）的数据。我们可以想象写入到输出流的数据立即以输入的形式“回流”到了 Java程序。
本文的目标是设计一个基于Swing的文本窗口显示控制台输出。在此期间，我们还将讨论一些和Java管道流（PipedInputStream和 PipedOutputStream）有关的重要注意事项。图一显示了用来截取和显示控制台文本输出的Java程序，用户界面的核心是一个 JTextArea。最后，我们还要创建一个能够捕获和显示其他程序（可以是非Java的程序）控制台输出的简单程序。
要在文本框中显示控制台输出，我们必须用某种方法“截取”控制台流。换句话说，我们要有一种高效地读取写入到System.out和System.err 所有内容的方法。如果你熟悉Java的管道流PipedInputStream和PipedOutputStream，就会相信我们已经拥有最有效的工具。
写入到PipedOutputStream输出流的数据可以从对应的PipedInputStream输入流读取。Java的管道流极大地方便了我们截取控制台输出。Listing 1显示了一种非常简单的截取控制台输出方案。
【Listing 1：用管道流截取控制台输出】
PipedInputStream pipedIS = new PipedInputStream();
PipedOutputStream pipedOS = new PipedOutputStream();
try {
pipedOS.connect(pipedIS);
}
catch(IOException e) {
System.err.println("连接失败");
System.exit(1);
}
PrintStream ps = new PrintStream(pipedOS);
System.setOut(ps);
System.setErr(ps);
可以看到，这里的代码极其简单。我们只是建立了一个PipedInputStream，把它设置为所有写入控制台流的数据的最终目的地。所有写入到控制台流的数据都被转到PipedOutputStream，这样，从相应的PipedInputStream读取就可以迅速地截获所有写入控制台流的数据。接下来的事情似乎只剩下在Swing JTextArea中显示从pipedIS流读取的数据，得到一个能够在文本框中显示控制台输出的程序。遗憾的是，在使用Java管道流时有一些重要的注意事项。只有认真对待所有这些注意事项才能保证Listing 1的代码稳定地运行。下面我们来看第一个注意事项。
1.1 注意事项一
PipedInputStream运用的是一个1024字节固定大小的循环缓冲区。写入PipedOutputStream的数据实际上保存到对应的 PipedInputStream的内部缓冲区。从PipedInputStream执行读操作时，读取的数据实际上来自这个内部缓冲区。如果对应的 PipedInputStream输入缓冲区已满，任何企图写入PipedOutputStream的线程都将被阻塞。而且这个写操作线程将一直阻塞，直至出现读取PipedInputStream的操作从缓冲区删除数据。
这意味着，向PipedOutputStream写数据的线程不应该是负责从对应PipedInputStream读取数据的唯一线程。从图二可以清楚地看出这里的问题所在：假设线程t是负责从PipedInputStream读取数据的唯一线程；另外，假定t企图在一次对 PipedOutputStream的write()方法的调用中向对应的PipedOutputStream写入2000字节的数据。在t线程阻塞之前，它最多能够写入1024字节的数据（PipedInputStream内部缓冲区的大小）。然而，一旦t被阻塞，读取 PipedInputStream的操作就再也不会出现，因为t是唯一读取PipedInputStream的线程。这样，t线程已经完全被阻塞，同时，所有其他试图向PipedOutputStream写入数据的线程也将遇到同样的情形。
这并不意味着在一次write()调用中不能写入多于1024字节的数据。但应当保证，在写入数据的同时，有另一个线程从PipedInputStream读取数据。
Listing 2示范了这个问题。这个程序用一个线程交替地读取PipedInputStream和写入PipedOutputStream。每次调用write()向 PipedInputStream的缓冲区写入20字节，每次调用read()只从缓冲区读取并删除10个字节。内部缓冲区最终会被写满，导致写操作阻塞。由于我们用同一个线程执行读、写操作，一旦写操作被阻塞，就不能再从PipedInputStream读取数据。
【Listing 2：用同一个线程执行读/写操作导致线程阻塞】
import java.io.*;
public class Listing2 {
static PipedInputStream pipedIS = new PipedInputStream();
static PipedOutputStream pipedOS =
new PipedOutputStream();
public static void main(String[] a){
try {
pipedIS.connect(pipedOS);
}
catch(IOException e) {
System.err.println("连接失败");
System.exit(1);
}
byte[] inArray = new byte[10];
byte[] outArray = new byte[20];
int bytesRead = 0;
try {
// 向pipedOS发送20字节数据
pipedOS.write(outArray, 0, 20);
System.out.println(" 已发送20字节...");
// 在每一次循环迭代中，读入10字节
// 发送20字节
bytesRead = pipedIS.read(inArray, 0, 10);
int i=0;
while(bytesRead != -1) {
pipedOS.write(outArray, 0, 20);
System.out.println(" 已发送20字节..."+i);
i++;
bytesRead = pipedIS.read(inArray, 0, 10);
}
}
catch(IOException e) {
System.err.println("读取pipedIS时出现错误: " + e);
System.exit(1);
}
} // main()
}
只要把读/写操作分开到不同的线程，Listing 2的问题就可以轻松地解决。Listing 3是Listing 2经过修改后的版本，它在一个单独的线程中执行写入PipedOutputStream的操作（和读取线程不同的线程）。为证明一次写入的数据可以超过 1024字节，我们让写操作线程每次调用PipedOutputStream的write()方法时写入2000字节。那么，在 startWriterThread()方法中创建的线程是否会阻塞呢？按照Java运行时线程调度机制，它当然会阻塞。写操作在阻塞之前实际上最多只能写入1024字节的有效载荷（即PipedInputStream缓冲区的大小）。但这并不会成为问题，因为主线程（main）很快就会从 PipedInputStream的循环缓冲区读取数据，空出缓冲区空间。最终，写操作线程会从上一次中止的地方重新开始，写入2000字节有效载荷中的剩余部分。
【Listing 3：把读/写操作分开到不同的线程】
import java.io.*;
public class Listing3 {
static PipedInputStream pipedIS =
new PipedInputStream();
static PipedOutputStream pipedOS =
new PipedOutputStream();
public static void main(String[] args) {
try {
pipedIS.connect(pipedOS);
}
catch(IOException e) {
System.err.println("连接失败");
System.exit(1);
}
byte[] inArray = new byte[10];
int bytesRead = 0;
// 启动写操作线程
startWriterThread();
try {
bytesRead = pipedIS.read(inArray, 0, 10);
while(bytesRead != -1) {
System.out.println("已经读取" +
bytesRead + "字节...");
bytesRead = pipedIS.read(inArray, 0, 10);
}
}
catch(IOException e) {
System.err.println("读取输入错误.");
System.exit(1);
}
} // main()
// 创建一个独立的线程
// 执行写入PipedOutputStream的操作
private static void startWriterThread() {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
byte[] outArray = new byte[2000];
while(true) { // 无终止条件的循环
try {
// 在该线程阻塞之前，有最多1024字节的数据被写入
pipedOS.write(outArray, 0, 2000);
}
catch(IOException e) {
System.err.println("写操作错误");
System.exit(1);
}
System.out.println(" 已经发送2000字节...");
}
}
}).start();
} // startWriterThread()
} // Listing3
也许我们不能说这个问题是Java管道流设计上的缺陷，但在应用管道流时，它是一个必须密切注意的问题。下面我们来看看第二个更重要（更危险的）问题。
1.2 注意事项二
从PipedInputStream读取数据时，如果符合下面三个条件，就会出现IOException异常：
- 试图从PipedInputStream读取数据，
- PipedInputStream的缓冲区为“空”（即不存在可读取的数据），
- 最后一个向PipedOutputStream写数据的线程不再活动（通过Thread.isAlive()检测）。
这是一个很微妙的时刻，同时也是一个极其重要的时刻。假定有一个线程w向PipedOutputStream写入数据；另一个线程r从对应的 PipedInputStream读取数据。下面一系列的事件将导致r线程在试图读取PipedInputStream时遇到IOException异常：
- w向PipedOutputStream写入数据。
- w结束（w.isAlive()返回false）。
- r从PipedInputStream读取w写入的数据，清空PipedInputStream的缓冲区。
- r试图再次从PipedInputStream读取数据。这时PipedInputStream的缓冲区已经为空，而且w已经结束，从而导致在读操作执行时出现IOException异常。
构造一个程序示范这个问题并不困难，只需从Listing 3的startWriterThread()方法中，删除while(true)条件。这个改动阻止了执行写操作的方法循环执行，使得执行写操作的方法在一次写入操作之后就结束运行。如前所述，此时主线程试图读取PipedInputStraem时，就会遇到一个IOException异常。
这是一种比较少见的情况，而且不存在直接修正它的方法。请不要通过从管道流派生子类的方法修正该问题――在这里使用继承是完全不合适的。而且，如果Sun以后改变了管道流的实现方法，现在所作的修改将不再有效。
最后一个问题和第二个问题很相似，不同之处在于，它在读线程（而不是写线程）结束时产生IOException异常。
1.3 注意事项三
如果一个写操作在PipedOutputStream上执行，同时最近从对应PipedInputStream读取的线程已经不再活动（通过 Thread.isAlive()检测），则写操作将抛出一个IOException异常。假定有两个线程w和r，w向 PipedOutputStream写入数据，而r则从对应的PipedInputStream读取。下面一系列的事件将导致w线程在试图写入 PipedOutputStream时遇到IOException异常：
- 写操作线程w已经创建，但r线程还不存在。
- w向PipedOutputStream写入数据。
- 读线程r被创建，并从PipedInputStream读取数据。
- r线程结束。
- w企图向PipedOutputStream写入数据，发现r已经结束，抛出IOException异常。
实际上，这个问题不象第二个问题那样棘手。和多个读线程/单个写线程的情况相比，也许在应用中有一个读线程（作为响应请求的服务器）和多个写线程（发出请求）的情况更为常见。
1.4 解决问题
要防止管道流前两个局限所带来的问题，方法之一是用一个ByteArrayOutputStream作为代理或替代PipedOutputStream。 Listing 4显示了一个LoopedStreams类，它用一个ByteArrayOutputStream提供和Java管道流类似的功能，但不会出现死锁和 IOException异常。这个类的内部仍旧使用管道流，但隔离了本文介绍的前两个问题。我们先来看看这个类的公用方法（参见图3）。构造函数很简单，它连接管道流，然后调用startByteArrayReaderThread()方法（稍后再讨论该方法）。getOutputStream()方法返回一个OutputStream（具体地说，是一个ByteArrayOutputStream）用以替代PipedOutputStream。写入该 OutputStream的数据最终将在getInputStream()方法返回的流中作为输入出现。和使用PipedOutputStream的情形不同，向ByteArrayOutputStream写入数据的线程的激活、写数据、结束不会带来负面效果。
【Listing 4：防止管道流应用中出现的常见问题】
import java.io.*;
public class LoopedStreams {
private PipedOutputStream pipedOS =
new PipedOutputStream();
private boolean keepRunning = true;
private ByteArrayOutputStream byteArrayOS =
new ByteArrayOutputStream() {
public void close() {
keepRunning = false;
try {
super.close();
pipedOS.close();
}
catch(IOException e) {
// 记录错误或其他处理
// 为简单计，此处我们直接结束
System.exit(1);
}
}
};
private PipedInputStream pipedIS = new PipedInputStream() {
public void close() {
keepRunning = false;
try {
super.close();
}
catch(IOException e) {
// 记录错误或其他处理
// 为简单计，此处我们直接结束
System.exit(1);
}
}
};
public LoopedStreams() throws IOException {
pipedOS.connect(pipedIS);
startByteArrayReaderThread();
} // LoopedStreams()
public InputStream getInputStream() {
return pipedIS;
} // getInputStream()
public OutputStream getOutputStream() {
return byteArrayOS;
} // getOutputStream()
private void startByteArrayReaderThread() {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while(keepRunning) {
// 检查流里面的字节数
if(byteArrayOS.size() > 0) {
byte[] buffer = null;
synchronized(byteArrayOS) {
buffer = byteArrayOS.toByteArray();
byteArrayOS.reset(); // 清除缓冲区
}
try {
// 把提取到的数据发送给PipedOutputStream
pipedOS.write(buffer, 0, buffer.length);
}
catch(IOException e) {
// 记录错误或其他处理
// 为简单计，此处我们直接结束
System.exit(1);
}
}
else // 没有数据可用，线程进入睡眠状态
try {
// 每隔1秒查看ByteArrayOutputStream检查新数据
Thread.sleep(1000);
}
catch(InterruptedException e) {}
}
}
}).start();
} // startByteArrayReaderThread()
} // LoopedStreams
startByteArrayReaderThread()方法是整个类真正的关键所在。这个方法的目标很简单，就是创建一个定期地检查 ByteArrayOutputStream缓冲区的线程。缓冲区中找到的所有数据都被提取到一个byte数组，然后写入到 PipedOutputStream。由于PipedOutputStream对应的PipedInputStream由getInputStream ()返回，从该输入流读取数据的线程都将读取到原先发送给ByteArrayOutputStream的数据。前面提到，LoopedStreams类解决了管道流存在的前二个问题，我们来看看这是如何实现的。
ByteArrayOutputStream具有根据需要扩展其内部缓冲区的能力。由于存在“完全缓冲”，线程向getOutputStream()返回的流写入数据时不会被阻塞。因而，第一个问题不会再给我们带来麻烦。另外还要顺便说一句，ByteArrayOutputStream的缓冲区永远不会缩减。例如，假设在能够提取数据之前，有一块500 K的数据被写入到流，缓冲区将永远保持至少500 K的容量。如果这个类有一个方法能够在数据被提取之后修正缓冲区的大小，它就会更完善。
第二个问题得以解决的原因在于，实际上任何时候只有一个线程向PipedOutputStream写入数据，这个线程就是由 startByteArrayReaderThread()创建的线程。由于这个线程完全由LoopedStreams类控制，我们不必担心它会产生 IOException异常。
LoopedStreams类还有一些细节值得提及。首先，我们可以看到byteArrayOS和pipedIS实际上分别是 ByteArrayOutputStream和PipedInputStream的派生类的实例，也即在它们的close()方法中加入了特殊的行为。如果一个LoopedStreams对象的用户关闭了输入或输出流，在startByteArrayReaderThread()中创建的线程必须关闭。覆盖后的close()方法把keepRunning标记设置成false以关闭线程。另外，请注意startByteArrayReaderThread ()中的同步块。要确保在toByteArray()调用和reset()调用之间ByteArrayOutputStream缓冲区不被写入流的线程修改，这是必不可少的。由于ByteArrayOutputStream的write()方法的所有版本都在该流上同步，我们保证了 ByteArrayOutputStream的内部缓冲区不被意外地修改。
注意LoopedStreams类并不涉及管道流的第三个问题。该类的getInputStream()方法返回PipedInputStream。如果一个线程从该流读取，一段时间后终止，下次数据从ByteArrayOutputStream缓冲区传输到PipedOutputStream时就会出现 IOException异常。
Listing 5的ConsoleTextArea类扩展Swing JTextArea捕获控制台输出。不要对这个类有这么多代码感到惊讶，必须指出的是，ConsoleTextArea类有超过50%的代码用来进行测试。
【Listing 5：截获Java控制台输出】
import java.io.*;
import java.util.*;
import javax.swing.*;
import javax.swing.text.*;
public class ConsoleTextArea extends JTextArea {
public ConsoleTextArea(InputStream[] inStreams) {
for(int i = 0; i < inStreams.length; ++i)
startConsoleReaderThread(inStreams[i]);
} // ConsoleTextArea()
public ConsoleTextArea() throws IOException {
final LoopedStreams ls = new LoopedStreams();
// 重定向System.out和System.err
PrintStream ps = new PrintStream(ls.getOutputStream());
System.setOut(ps);
System.setErr(ps);
startConsoleReaderThread(ls.getInputStream());
} // ConsoleTextArea()
private void startConsoleReaderThread(
InputStream inStream) {
final BufferedReader br =
new BufferedReader(new InputStreamReader(inStream));
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
try {
String s;
Document doc = getDocument();
while((s = br.readLine()) != null) {
boolean caretAtEnd = false;
caretAtEnd = getCaretPosition() == doc.getLength() ?
true : false;
sb.setLength(0);
append(sb.append(s).append('\n').toString());
if(caretAtEnd)
setCaretPosition(doc.getLength());
}
}
catch(IOException e) {
JOptionPane.showMessageDialog(null,
"从BufferedReader读取错误：" + e);
System.exit(1);
}
}
}).start();
} // startConsoleReaderThread()
// 该类剩余部分的功能是进行测试
public static void main(String[] args) {
JFrame f = new JFrame("ConsoleTextArea测试");
ConsoleTextArea consoleTextArea = null;
try {
consoleTextArea = new ConsoleTextArea();
}
catch(IOException e) {
System.err.println(
"不能创建LoopedStreams：" + e);
System.exit(1);
}
consoleTextArea.setFont(java.awt.Font.decode("monospaced"));
f.getContentPane().add(new JScrollPane(consoleTextArea),
java.awt.BorderLayout.CENTER);
f.setBounds(50, 50, 300, 300);
f.setVisible(true);
f.addWindowListener(new java.awt.event.WindowAdapter() {
public void windowClosing(
java.awt.event.WindowEvent evt) {
System.exit(0);
}
});
// 启动几个写操作线程向
// System.out和System.err输出
startWriterTestThread(
"写操作线程 #1", System.err, 920, 50);
startWriterTestThread(
"写操作线程 #2", System.out, 500, 50);
startWriterTestThread(
"写操作线程 #3", System.out, 200, 50);
startWriterTestThread(
"写操作线程 #4", System.out, 1000, 50);
startWriterTestThread(
"写操作线程 #5", System.err, 850, 50);
} // main()
private static void startWriterTestThread(
final String name, final PrintStream ps,
final int delay, final int count) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
for(int i = 1; i <= count; ++i) {
ps.println("***" + name + ", hello !, i=" + i);
try {
Thread.sleep(delay);
}
catch(InterruptedException e) {}
}
}
}).start();
} // startWriterTestThread()
} // ConsoleTextArea
main()方法创建了一个JFrame，JFrame包含一个ConsoleTextArea的实例。这些代码并没有什么特别之处。Frame显示出来之后，main()方法启动一系列的写操作线程，写操作线程向控制台流输出大量信息。ConsoleTextArea捕获并显示这些信息，如图一所示。
ConsoleTextArea提供了两个构造函数。没有参数的构造函数用来捕获和显示所有写入到控制台流的数据，有一个InputStream[]参数的构造函数转发所有从各个数组元素读取的数据到JTextArea。稍后将有一个例子显示这个构造函数的用处。首先我们来看看没有参数的 ConsoleTextArea构造函数。这个函数首先创建一个LoopedStreams对象；然后请求Java运行时环境把控制台输出转发到 LoopedStreams提供的OutputStream；最后，构造函数调用startConsoleReaderThread()，创建一个不断地把文本行追加到JTextArea的线程。注意，把文本追加到JTextArea之后，程序小心地保证了插入点的正确位置。
一般来说，Swing部件的更新不应该在AWT事件分派线程（AWT Event Dispatch Thread，AEDT）之外进行。对于本例来说，这意味着所有把文本追加到JTextArea的操作应该在AEDT中进行，而不是在 startConsoleReaderThread()方法创建的线程中进行。然而，事实上在Swing中向JTextArea追加文本是一个线程安全的操作。读取一行文本之后，我们只需调用JText.append()就可以把文本追加到JTextArea的末尾。
