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)
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PipedInputStream
11 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 loop
232 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 else
260 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 @Override
22 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 @Override
21 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
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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
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01234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
012345678901234567890123456789abcd
efghijklmnopqrstuvwxyz
这个结果才是writeLongMessage()写入到“输入缓冲区”的完整数据。