3:1 多路复用器模拟：使用 Java 进程间通信实现 STS-1 数据流复用

在 SONET 中，多个 STS-1 数据流的复用扮演着重要角色，这些 STS-1 数据流被称为支流 (tributary)。一个 3:1 多路复用器将 3 个输入的 STS-1 支流复用成一个 STS3 输出流。复用过程按字节进行，也就是说，前 3 个字节分别是支流 1、2 和 3 的第一个字节，接下去的 3 个字节分别是支流 1、2 和 3 的第二个字节，以此类推。

本文将编写一个程序来模拟这样的 3:1 多路复用器，该程序包含 5 个进程：

主进程： 创建 4 个子进程，其中 3 个进程分别对应 3 个 STS-1 支流，第 4 个进程对应多路复用器。
支流进程 (3 个)： 每个支流进程从一个输入文件中读取连续的 810B 作为一个 STS-1 帧，并将这些字节 (逐字节) 发送给多路复用器进程。
多路复用器进程： 接收来自支流进程的字节，并逐字节输出到标准输出设备上。
输入进程： 将多路复用器进程输出的字节转发到标准输出。

进程之间的通信采用管道形式进行。

Java 实现

由于题目中涉及到进程间通信，Java 中可以使用 ProcessBuilder 类来创建进程，并通过 ProcessBuilder.redirectInput() 和 ProcessBuilder.redirectOutput() 方法来设置进程之间的管道通信。

以下是可能的实现，其中每个进程都封装在一个类中：

import java.io.*;

public class STSMultiplexer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 3 个支流进程和 1 个多路复用器进程
        STS1Stream stream1 = new STS1Stream('input1.txt');
        STS1Stream stream2 = new STS1Stream('input2.txt');
        STS1Stream stream3 = new STS1Stream('input3.txt');
        STSMultiplexerProcess mux = new STSMultiplexerProcess();

        // 启动进程
        stream1.start();
        stream2.start();
        stream3.start();
        mux.start();

        // 等待进程结束
        try {
            stream1.join();
            stream2.join();
            stream3.join();
            mux.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class STS1Stream extends Thread {
    private String inputFile;

    public STS1Stream(String inputFile) {
        this.inputFile = inputFile;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 打开输入文件
            FileInputStream input = new FileInputStream(inputFile);

            // 逐字节读取文件并发送给多路复用器进程
            int b;
            while ((b = input.read()) != -1) {
                STSMultiplexerProcess.sendByte(b);
            }

            // 关闭输入文件
            input.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class STSMultiplexerProcess extends Thread {
    private static PipedOutputStream[] outputs = new PipedOutputStream[3];

    public STSMultiplexerProcess() {
        // 初始化管道
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                PipedInputStream input = new PipedInputStream();
                outputs[i] = new PipedOutputStream(input);
                ProcessBuilder builder = new ProcessBuilder('java', '-cp', '.', 'STS1MultiplexerInput');
                builder.redirectInput(input);
                builder.start();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 逐字节读取 3 个支流的字节并输出到标准输出
            int[] bytes = new int[3];
            while (true) {
                for (int i = 0; i < 3; i++) {
                    bytes[i] = outputs[i].read();
                }
                System.out.write(bytes[0]);
                System.out.write(bytes[1]);
                System.out.write(bytes[2]);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static synchronized void sendByte(int b) throws IOException {
        // 随机选择一个输出管道发送字节
        int index = (int) (Math.random() * 3);
        outputs[index].write(b);
    }
}

// 输入进程，只是简单地将输入流中的字节输出到标准输出
class STS1MultiplexerInput {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        InputStream input = System.in;
        int b;
        while ((b = input.read()) != -1) {
            System.out.write(b);
        }
    }
}

需要注意的是，由于多路复用器进程需要不停地从 3 个支流中读取字节，因此需要一个死循环来保持进程一直运行。另外，由于输入进程需要从标准输入读取字节，而多路复用器进程需要将字节输出到标准输出，因此需要单独开一个进程来处理这个过程。