모던 자바 인 액션 - CH04. 스트림 소개
4.1 스트림이란 무엇인가?
스트림(Streams)은 자바 8 API에 새로 추가된 기능이다.
스트림을 이용하면 선언형으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다.
스트림을 이용하면 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.
다음 예제는 저칼로리 요리명을 반환하고, 칼로리를 기준으로 요리를 정렬하는 자바7 코드이다.
List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();
for(Dish dish: menu) {
if(dish.getCalories() < 400) {
lowCaloricDishes.add(dish);
}
}
Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() {
public int compare(Dish dish1, Dish dish2) {
return Integer.compare(dish.getCalories(), dish2.getCalories());
}
});
List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>();
for(Dish dish: lowCaloricDishes) {
lowCaloricDishesName.add(dish.getName());
}위 코드에서는 lowCaloricDishes라는 `가비지 변수`를 사용했다. 즉, lowCaloricDishes는 컨테이너 역할만 하는 중간 변수다. 자바 8에서 이런 세부 구현은 라이브러리 내에서 모두 처리한다.
다음은 자바 8 코드이다.
List<String> lowCaloricDishesName = menu.stream()
.filter(d -> d.getCalories() < 400)
.sorted(comparing(Dish::getCalories))
.map(Dish::getName)
.collect(toList());
// parallelStream()을 이용하여 멀티코어 아키텍처에서 병렬로 실행
List<String> lowCaloricDishesName = menu.parallelStream()
.filter(d -> d.getCalories() < 400)
.sorted(comparing(Dish::getCalories))
.map(Dish::getName)
.collect(toList());
스트림의 새로운 기능이 소프트웨어공학적으로 다음의 다양한 이득을 준다.
- 선언형으로 코드를 구현할 수 있다. 즉, 루프와 if 조건문 등의 제어 블록을 사용해서 어떻게 동작을 구현할지 지정할 필요 없이 `저칼로리 요리만 선택하라`같은 동작의 수행을 지정할 수 있다.
- filter, sorted, map, collect 같은 여러 빌딩 블록 연산을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다. 여러 연산을 파이프라인으로 연결해도 여전히 가독성과 명확성이 유지된다.
< 자바 8의 스트림 API의 특징 >
선언형 : 더 간결하고 가독성이 좋아진다.
조립할 수 있음 : 유연성이 좋아진다.
병렬화 : 성능이 좋아진다.
4.2 스트림 시작하기
스트림이란 `데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소`로 정의할 수 있다.
- 연속된 요소 : 컬렉션과 마찬가지로 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다. 컬렉션에서는 (ex. ArrayList를 사용할 것인지, LinkedList를 사용할 것인지) 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장 및 접근 연산이 주를 이룬다. 반면 스트림은 filter, sorted, map처럼 표현 계산식이 주를 이룬다. 즉, 컬렉션의 주제는 데이터이고 스트림의 주제는 계산이다.
- 소스 : 스트림은 컬렉션, 배열 I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다. 정렬된 컬렉션으로 스트림을 생성하면 정렬이 그대로 유지된다. 즉, 리스트로 스트림을 만들면 스트림의 요소는 리스트의 요소와 같은 순서를 유지한다.
- 데이터 처리 연산 : 스트림은 함수형 프로그래밍 언어에서 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 지원한다. 예를 들어, filter, map, reduce, find, match, sort 등으로 데이터를 조작할 수 있다. 스트림 연산은 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.
스트림의 특징
- 파이프라이닝 : 대부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이프라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 그 덕분에 게으름, 쇼트서킷 같은 최적화도 얻을 수 있다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.
- 내부 반복 : 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.
예제로 확인해보자.
List<String> threeHighCaloricDishNames =
menu.stream()
.filter(dish -> dish.getCalories() > 300)
.map(Dish::getName)
.limit(3)
.collect(Collectors.toList());
System.out.println(threeHighCaloricDishNames);여기서 데이터 소스는 요리 리스트(메뉴)다. 데이터 소스는 연속된 요소를 스트림에 제공한다.
스트림에 filter, map, limit, collect로 이어지는 일련의 데이터 처리 연산을 적용한다.
collect를 제외한 모든 연산은 서로 파이프라인을 형성할 수 있도록 스트림을 반환한다.
파이프라인은 소스에 적용하는 질의 같은 존재다.
마지막으로 collect 연산으로 파이프라인을 처리해서 결과를 반환한다.
filter, map, limit, collect는 각각 다음과 같은 작업을 수행한다.
- filter : 람다를 인수로 받아 스트림에서 특정 요소를 제외시킨다.
- map : 람다를 이용해서 한 요소를 다른 요소로 변환하거나 정보를 추출한다.
- limit : 정해진 개수 이상의 요소가 스트림에 저장되지 못하게 스트림 크기를 축소 truncate 한다.
- collect : 스트림을 다른 형식으로 변환한다. 일단 collect가 다양한 변환 방법을 인수로 받아 스트림에 누적된 요소를 특정 결과로 변환시키는 기능을 수행하는 정도로 이해하자.
4.3 스트림과 컬렉션
자바의 기존 컬렉션과 새로운 스트림 모두 연속된 형식의 값을 저장하는 자료구조의 인터페이스를 제공한다.
이제 컬렉션과 스트림의 차이를 살펴보자.
데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이이다.
컬렉션
컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.
컬렉션의 연산을 수행할 때마다 컬렉션의 모든 요소를 메모리에 저장해야 하며 컬렉션에 추가하려는 요소는 미리 계산되어야 한다.
스트림
스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다. (스트림에 요소를 추가하거나 제거할 수 없음)
사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다.
결과적으로 스트림은 생산자와 소비자 관계를 형성한다.
스트림은 게으르게 만들어지는 컬렉션과 같다.
즉, 사용자가 데이터를 요청할 때만 값을 계산한다.반면에 컬렉션은 적극적으로 생성된다
4.3.1 딱 한 번만 탐색할 수 있다.
반복자(Iterator)와 마찬가지로 스트림도 한 번만 탐색할 수 있다. => 탐색된 스트림의 요소는 소비된다.
반복자와 마찬가지로 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다.
4.3.2 외부 반복과 내부 반복
컬렉션 인터페이스를 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복해야 한다. 이를 외부 반복이라고 한다.
반면 스트림 라이브러리는 반복을 알아서 처리하고 결과 스트림값을 어딘가에 저장해주는 내부 반복을 사용한다. 함수에 어떤 작업을 수행할지만 지정하면 모든 것이 알아서 처리된다.
다음 코드를 보자.
// 컬렉션 : for-each 루프를 이용하는 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>();
for(Dish dish : menu) { // 메뉴 리스트를 명시적으로 순차 반복
names.add(dish.getName()); // 이름을 추출해서 리스트에 추가
}
// 스트림 : 내부 반복
List<String> names = menu.stream()
.map(Dish::getName)
.collect(toList());내부 반복을 이용하면 작업을 투명하게 병렬로 처리하거나 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다.
스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 for-each를 이용하는 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다.
자바 8에서는 컬렉션 인터페이스와 비슷하면서도 반복자가 없는 무엇이 절실했으며, 결국 스트림이 탄생했다.
스트림은 내부 반복을 사용하므로 반복 과정을 우리가 신경쓰지 않아도 된다. 하지만 이와 같은 이점을 누리려면 filter나 map같이 반복을 숨겨주는 연산 리스트가 미리 정의되어 있어야 한다. 반복을 숨겨주는 대부분의 연산은 람다 표현식을 인수로 받으므로 3장에서 배운 동작 파라미터화를 활용할 수 있다.
4.4 스트림 연산
List<String> lowCaloricDishesName = menu.stream()
.filter(d -> d.getCalories() < 400)
.sorted(comparing(Dish::getCalories))
.map(Dish::getName)
.collect(toList());위 예제에서 연산을 두 그룹으로 구분할 수 있다.
- filter, map, limit는 서로 연결되어 파이프라인을 형성한다.
- collect로 파이프라인을 실행한 다음에 닫는다.
연결할 수 있는 스트림 연산을 중간 연산이라고 하며, 스트림을 닫는 연산을 최종 연산이라고 한다.
4.4.1 중간 연산
filter나 sorted 같은 중간 연산은 다른 스트림은 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 연결해서 질의를 만들 수 있다.
중간 연산은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다.(게으르다)
중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연사을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.
List<String> names = menu.stream()
.filter(dish -> {
System.out.println("filtering:" + dish.getName());
return dish.getCalories() > 300;
})
.map(dish -> {
System.out.println("mapping:" + dish.getName());
return dish.getName();
})
.limit(3)
.collect(toList());
// 출력
filtering:pork
mapping:pork
filtering:beef
mapping:beef
filtering:chicken
mapping:chicken
[pork, beef, chicken]
4.4.2 최종 연산
최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다. 보통 최종 연산에 의해 List, Integer, void 등 스트림 이외의 결과가 반환된다. 예를 들어 다음 파이프라인에서 forEach는 소스의 각 요리에 람다를 적용한 다음에 void를 반환하는 최종 연산이다. ex) menu.stream().forEach(System.out::println);
4.4.3 스트림 이용하기
스트림 이용 과정은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.
- 질의를 수행할 (컬렉션 같은) 데이터 소스
- 스트림 파이프라인을 구성할 중간 연산 연결
- 스트림 파이프라인을 실행하고 결과를 만들 최종 연산
스트림 파이프라인의 개념은 빌터 패턴과 비슷하다.