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在Java程序中截获控制台输出(俞良松)
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。
图一:多线程的控制台输出截取程序
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。
图二:管道流工作过程
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。
图三:ByteArrayOutputStream原理
【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。
在JTextArea中捕获Java程序自己的控制台输出是一回事,去捕获其他程序(甚至包括一些非Java程序)的控制台数据又是另一回事。ConsoleTextArea提供了捕获其他应用的输出时需要的基础功能,Listing 6的AppOutputCapture利用ConsoleTextArea,截取其他应用的输出信息然后显示在ConsoleTextArea中。
【Listing 6:截获其他程序的控制台输出】 import java.awt.*; import java.awt.event.*; import java.io.*; import javax.swing.*; public class AppOutputCapture { private static Process process; public static void main(String[] args) { if(args.length == 0) { System.err.println("用法:java AppOutputCapture " + "<程序名字> {参数1 参数2 ...}"); System.exit(0); } try { // 启动命令行指定程序的新进程 process = Runtime.getRuntime().exec(args); } catch(IOException e) { System.err.println("创建进程时出错...\n" + e); System.exit(1); } // 获得新进程所写入的流 InputStream[] inStreams = new InputStream[] { process.getInputStream(),process.getErrorStream()}; ConsoleTextArea cta = new ConsoleTextArea(inStreams); cta.setFont(java.awt.Font.decode("monospaced")); JFrame frame = new JFrame(args[0] + "控制台输出"); frame.getContentPane().add(new JScrollPane(cta), BorderLayout.CENTER); frame.setBounds(50, 50, 400, 400); frame.setVisible(true); frame.addWindowListener(new WindowAdapter() { public void windowClosing(WindowEvent evt) { process.destroy(); try { process.waitFor(); // 在Win98下可能被挂起 } catch(InterruptedException e) {} System.exit(0); } }); } // main() } // AppOutputCapture |
AppOutputCapture的工作过程如下:首先利用Runtime.exec()方法启动指定程序的一个新进程。启动新进程之后,从结果Process对象得到它的控制台流。之后,把这些控制台流传入ConsoleTextArea(InputStream[])构造函数(这就是带参数ConsoleTextArea构造函数的用处)。使用AppOutputCapture时,在命令行上指定待截取其输出的程序名字。例如,如果在Windows 2000下执行javaw.exe AppOutputCapture ping.exe www.yahoo.com,则结果如图四所示。
图四:截取其他程序的控制台输出
使用AppOutputCapture时应该注意,被截取输出的应用程序最初输出的一些文本可能无法截取。因为在调用Runtime.exec()和ConsoleTextArea初始化完成之间存在一小段时间差。在这个时间差内,应用程序输出的文本会丢失。当AppOutputCapture窗口被关闭,process.destory()调用试图关闭Java程序开始时创建的进程。测试结果显示出,destroy()方法不一定总是有效(至少在Windows 98上是这样的)。似乎当待关闭的进程启动了额外的进程时,则那些进程不会被关闭。此外,在这种情况下AppOutputCapture程序看起来未能正常结束。但在Windows NT下,一切正常。如果用JDK v1.1.x运行AppOutputCapture,关闭窗口时会出现一个NullPointerException。这是一个JDK的Bug,JDK 1.2.x和JDK 1.3.x下就不会出现问题。
请从这里下载本文完整代码:JavaConsoleOutput_code.zip
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编写多线程的Java 应用程序如何避免当前编程中最常见的问题
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Java 程序中的多线程
俞良松,软件工程师,独立顾问和自由撰稿人。最初从事PB和Oracle开发,现主要兴趣在于Internet开发。您可以通过javaman@163.net和我联系。
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