[모던 자바 인 액션] 4장 스트림 소개

 

이 글은 모던 자바 인 액션라는 책을 읽고 정리한 글입니다.

 

4장에서는 스트림의 개념을 설명하며, 스트림과 컬렉션의 비슷한 점과 다른 점을 설명합니다.

 

이 장의 내용

- 스트림이란 무엇인가?
- 컬렉션과 스트림
- 내부 반복과 외부 반복
- 중간 연산과 최종 연산

 

거의 모든 자바 애플리케이션은 컬렉션을 만들고 처리하는 과정을 포함한다. 컬렉션으로 데이터를 그룹화하고 처리할 수 있다.

스트림이란 무엇인가?

스트림을 이용하면 선언형(즉, 데이터를 처리하는 임시 구현 코드 대신 질의로 표현할 수 있다)으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다. 일단 스트림이 데이터 컬렉션 반복을 멋지게 처리하는 기능이라고 생각하자. 또한 스트림을 이용하면 멀티 스레드 직접 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.

List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();
for(Dish d: menu) {
    `if(d.getCalories() < 400) {
        lowCaloricDishes.add(d);
    }
}

Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() { // 익명 클래스로 요리 정렬
    public int compare(Dish d1, Dish d2) {
        return Integer.compare(d1.getCalories(), d2.getCalories());
    }
});

List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>();
for(Dish d: lowCaloricDishes) {
    lowCaloricDishesName.add(d.getName()); // 정렬된 리스트를 처리하면서 요리 이름 선택
}

 

위 코드에서는 lowCaloricDishes라는 '가비지 변수'가 사용 되었다. 즉, lowCaloricDishes는 컨테이너 역할만 하는 중간 변수다. 자바 8에서는 이러한 세부 구현은 라이브러리 내에서 모두 처리한다.

List<String> lowCaloricDishesName = menu.stream()
    .filter(d -> d.getCalories() < 400) // 400칼로리 이하의 요리 선택
    .sorted(comparing(Dishes::getCalories)) // 칼로리로 요리 정렬
    .map(Dish::getName) // 요리명 추출
    .collect(toList()); // 모든 요리명을 리스트에 저장

stream()을 parallelStream()으로 바꾸면 이 코드를 멀티코어 아키텍처에서 병렬로 실행할 수 있다.

List<String> lowCaloricDishesName = menu.parallelStream()
    .filter(d -> d.getCalories() < 400)
    .sorted(comparing(Dishes::getCalories))
    .map(Dish::getName)
    .collect(toList());

filter (또는 sorted, map, collect) 같은 연산은 고수준 빌딩 블록으로 이루어져 있으므로 특정 스레딩 모델에 제한되지 않고 자유롭게 어떤 상황에서든 사용할 수 있다(또한 이들은 내부적으로 단일 스레드 모델에 사용할 수 있지만 멀티코어 아키텍처를 최대한 투명하게 활용할 수 있게 구현되어 있다). 결과적으로 우리는 데이터 처리 과정을 병렬화하면 스레드와 락을 걱정할 필요가 없다. 이 모든 것이 스트림 API 덕분이다.

스트림 시작하기

스트림이란 정확히 뭘까? 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.
• 데이터 처리 연산 : 스트림 연산은 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.

스트림에는 다음과 같은 두 가지 중요한 특징이 있다.

• 파이프라이닝 : 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.
• 내부 반복  : 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

스트림과 컬렉션

데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이라고 할 수 있다.

• 컬렉션
  • 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다.
  • 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.
  • 컬렉션은 적극적으로 생성된다.
• 스트림
  • 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고전된 자료구조다.
  • 사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다.
  • 스트림은 생산자와 소비자 관계를 형성한다.
  • 사용자가 요청할 때만 값을 계산한다.

딱 한 번만 탐색할 수 있다

반복자와 마찬가지로 스트림도 딱 한 번만 탐색할 수 있다. 즉, 탐색된 스트림의 요소는 소비된다.

외부 반복과 내부 반복

컬렉션 인터페이스를 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복해야 한다. 이를 외부 반복이라고 한다. 반면 스트림 라이브러리는 내부 반복을 사용한다. 따라서 함수에 어떤 작업을 수행 할 지만 지정하면 모든 것이 알아서 처리된다.

 

외부 반복보다 내부 반복이 더 좋은 이유는 무엇일까?

스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 for-each를 이용하는 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다. 병렬성을 스스로 관리한다는 것은 병렬성을 포기하든지 아니면 synchronized로 시작하는 힘들고 긴 전쟁을 시작함을 의미한다.

스트림 연산

스트림 인터페이스의 연산을 크게 두 가지로 구분할 수 있다.

List<String> names = menu.stream() // 요리 리스트에서 스트림 얻기
    .filter(d -> d.getCalories() > 300) // 중간 연산
    .map(Dish::getName) // 중간 연산
    .limit(3) // 중간 연산
    .collect(toList()); // 스트림을 리스트로 변환

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

중간 연산

중간 연산의 중요한 특징은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다. 즉 게으르다(lazy)는 것이다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.

List<String> names = menu.stream()
    .filter(d -> {
        System.out.println("filtering" + d.getName());
        return d.getCalories() > 300;
    }) // 필터링한 요리명을 출력한다.
    .map(d -> {
            System.out.println("mapping" : g.getName());
            return d.getName();
    }) // 추출한 요리명을 출력한다.
    .limit(3)
    .collect(toList());

연산	형식	반환 형식	연산의 인수	함수 디스크립터
filter	중간 연산	Stream<T>	Predicate<T>	T → boolean
map	중간 연산	Stream<R>	Function<T, R>	T → R
limit	중간 연산	Stream<T>
sorted	중간 연산	Stream<T>	Comparator<T>	(T, T) → int
distinct	중간 연산	Stream<T>

 

최종 연산

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

연산	형식	반환 형식	목적
forEach	최종 연산	void	스트림의 각 요소를 소비하면서 람다를 적용한다.
count	최종 연산	long (generic)	스트림의 요소 개수를 반환한다.
collect	최종 연산		스트림을 리듀스해서 리스트, 맵, 정수 형식의 컬렉션을 만든다.

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