개발 노트

모던 자바 인 액션 - 스트림

 
  • Jan 27, 2021

Chapter4: 스트림

이 장에서는 다음 항목을 설명한다.
  • 스트림이란 무엇인가?
  • 컬렉션과 스트림
  • 내부 반복과 외부 반복
  • 중간 연산과 최종 연산

1. 스트림이란 무엇인가?

스트림은 자바 8 API에 새로 추가된 기능이다. 스트림을 이용하면 선언형으로 데이터를 처리할 수 있다.

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 없다. 선언형 코드와 동작 파라미터화를 활용하면 변화하는 요구사항에 쉽게 대응할 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.
기타 라이브러리: 구아바, 아파치, 람다제이

컬렉션을 제어하는 데 도움이 되는 라이브러리

자바 8의 스트림 API의 특징
  • 선언형: 더 간결하고 가독성이 좋아진다.
  • 조립할 수 있음: 유연성이 좋아진다.
  • 병렬화: 성능이 좋아진다.
앞으로 다룰 예제를 위한 메뉴 코드
List<Dish> menu = Arrays.asList(
    new Dish("pork", false, 800, Dish.Type.MEAT),
    new Dish("beef", false, 700, Dish.Type.MEAT),
    new Dish("chicken", false, 400, Dish.Type.MEAT),
    new Dish("french", true, 530, Dish.Type.OTHER),
    new Dish("rice", true, 350, Dish.Type.OTHER),
    new Dish("season fruit", true, 120, Dish.Type.OTHER),
    new Dish("pizza", true, 550, Dish.Type.OTHER),
    new Dish("prawns", false, 300, Dish.Type.FISH),
    new Dish("salmon", false, 450, Dish.Type.FISH)  
);

public class Dish {
    private final String name;
    private final boolean vegetarian;
    private final int calories;
    private final Type type;


    public Dish(String name, boolean vegetarian, int calories, Type type) {
        this.name = name;
        this.vegetarian = vegetarian;
        this.calories = calories;
        this.type = type;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public boolean isVegetarian() {
        return vegetarian;
    }

    public int getCalories() {
        return calories;
    }

    public Type getType() {
        return type;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }

    public enum Type { MEAT, FISH, OTHER }
}

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.

  • 소스: 스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다. 정렬된 컬렉션으로 스트림을 생성하면 정렬이 그대로 유지된다.

  • 데이터 처리 연산: 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 제공한다.

    filter, map, reduce, find, match, sort 등으로 데이터를 조작한다. 스트림 연산은 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.

스트림 두 가지 주요 특징
  • 파이프라이닝: 대부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이프라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.
  • 내부 반복: 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.
예제
List<String> threeHighCaloricDishNames = menu
                .stream() // 메뉴에서 스트림 얻음
                .filter(dish -> dish.getCalories() > 300) // 칼로리로 필터링
                .map(Dish::getName) // 요리명 추출
                .limit(3) // 3개 선택
                .collect(toList()); // 다른 리스트로 저장
// [pork, beef, chicken] 순
  • menu에 stream 메서드를 호출해서 스트림을 얻는다.
  • 데이터 소스는 요리 리스트(메뉴)다.
  • 데이터 소스는 연속된 요소를 스트림에 제공한다.
  • 다음으로 filter, map, limit, collect로 이어지는 데이터 처리 연산을 적용한다.
    • filter: 람다를 인수로 받아 스트림에서 특정 요소를 제외시킨다.
    • map: 람다를 이용해서 한 요소를 다른 요소로 변환하거나 정보를 추출한다.
    • limit: 정해진 개수 이상의 요소가 스트림에 저장도지 못하게 스트림 크기를 축소 truncate 한다.
    • collect: 스트림을 다른 형식으로 변환한다.

3. 스트림과 컬렉션

컬렉션과 스트림 모두 연속된 요소 형식의 값을 저장하는 자료구조의 인터페이스를 제공한다.

스트림과 컬렉션의 차이

가장 큰 차이는 데이터를 언제 계산하느냐 이다.

  • 컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.
  • 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다. 스트림은 생상자와 소비자 관계를 형성한다. 또한, 스트림은 사용자가 데이터를 요청할 때만 값을 계산한다.

스트림컬렉션

딱 한 번만 탐색할 수 있다

반복자와 마찬가지로 스트림도 한 번만 탐색할 수 있다. 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다. 스트림은 단 한 번만 소비할 수 있다는 점을 명심하자.

데이터 소스는 컬렉션처럼 반복할 수 있어야 한다.

외부 반복과 내부 반복

외부 반복

컬렉션 인터페이스를 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복해야 한다. ex) for-each

내부 반복

스트림 라이브러리는 반복을 알아서 처리하고 결과 스트림값을 어딘가에 저장하여 사용한다. 함수에 어떤 작업을 수행할지만 저장하면 모든 것이 알아서 처리된다.

// 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>();
for(Dish dish: menu) {
    names.add(dish.getName());
}

// 내부 반복
List<String> names = menu.stream()
                    .map(Dish::getName)
                    .collect(toList());

스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다.

스트림의 내부 반복의 이점을 누리려면 반복을 숨겨주는 연산 리스트가 미리 정의되어 있어야 한다. 이 대부분의 연산은 람다 표현식을 인수로 받으므로 동작 파라미터화를 활용할 수 있다.

4. 스트림 연산

java.util.stream.Stream 인터페이스는 많은 연산을 정의한다.

  • 연결할 수 있는 스트림 연산을 중간 연산이라고 한다.
  • 스트림을 닫는 연산을 최종 연산이라고 한다.

중간 연산

filter나 sorted 같은 중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 연결해서 질의를 만들 수 있다.

중간 연산의 중요한 특징은 게으른lazy 특성으로 스트림 파이프라인을 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다.

최종 연산으로 한 번에 처리한다.

스트림의 게으른 특성으로 몇 가지 최적화 효과를 얻는다. (쇼트 서킷, 루트 퓨전)

최종 연산

최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다. 보통 List, Integer, void 등 스트림 이외의 결과가 반환된다.

스트림 이용하기

  • 질의를 수행할 (컬렉션 같은) 데이터 소스
  • 스트림 파이프라인을 구성할 중간 연산 연결
  • 스트림 파이프라인을 실행하고 결과를 만들 최종 연산

스트림 파이프라인의 개념은 빌더 패턴과 비슷하다.

최종연산

5. 로드맵

  • 스트림에서 제공하는 연산
  • 어떤 종류의 질의를 표현할 수 있는지
  • 필터링, 슬라이싱, 검색, 매칭, 매핑, 리듀싱 등
  • 수집 방법

6. 마치며

  • 스트림은 소스에서 추출된 연속된 요소로, 데이터 처리 연산을 지원한다.
  • 스트림은 내부 반복을 지원한다. 내부 반복은 filter, map, sorted 등의 연산으로 반복을 추상화한다.
  • 스트림에는 중간 연산과 최종 연산이 있다.
  • 중간 연산은 filter와 map처럼 스트림을 반환하면서 다른 연산과 연결되는 연산이다. 중간 연산을 이용해서 파이프라인을 구성할 수 있지만 중간 연산으로는 어떤 결과도 생성할 수 없다.
  • forEach나 count처럼 스트림 파이프라인을 처리해서 스트림이 아닌 결과를 반환하는 연산을 최종 연산이라고 한다.
  • 스트림의 요소는 요청할 때 게으르게 계산된다.
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