在Java程序中截获控制台输出(俞良松)

本文主要是介绍在Java程序中截获控制台输出(俞良松)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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

一、Java管道流

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PipedOutputStreampipedOS.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。

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二、捕获Java控制台输出

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.errPrintStream 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。

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三、捕获其他程序的控制台输出

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 = newConsoleTextArea(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

参考资料