스트림이란?
자바 8 API에 새로 추가된 기능으로, 스트림을 사용하면 선언형(데이터를 처리하는 임시 구현 코드 대신 질의로 표현)으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다. 또한, 스트림을 이용하면 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.
스트림이 어떤 유용한 기능을 제공하는지 확인하기 위해 저칼로리의 요리명을 반환하고, 칼로리를 기준으로 요리를 정렬하는 자바 7 코드를 자바 8의 스트림을 이용해 다시 구현해본다.
자바 7 코드
List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();
for (Dish d : dishes) {
if (d.getCalories() < 400) {
lowCaloricDishes.add(d);
}
}
List<String> lowCaloricDishesNames = new ArrayList<>();
Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() { //익명 클래스로 요리 정렬
@Override
public int compare(Dish d1, Dish d2) {
return Integer.compare(d1.getCalories(), d2.getCalories());
}
});
for (Dish d : lowCaloricDishes) {
lowCaloricDishesNames.add(d.getName()); // 정렬된 리스트를 처리하면서 요리 이름 선택
}
자바 8 코드
menu.stream()
.filter(d -> d.getCalories() < 400) // 400 칼로리 이하의 요리 선택
.sorted(comparing(Dish::getCalories)) // 칼로리로 요리 정렬
.map(Dish::getName) // 요리명 추출
.collect(toList()); // 모딘 요리명을 리스트에 저장
해당 코드를 통해 알 수 있는 스트림의 장점은 다음과 같다.
- 선언형으로 코드를 구현할 수 있다. 즉, 루프와 if 조건문 등의 제어 블록을 사용해서 어떻게 동작을 구현할지 지정할 필요 없이 '저칼로리의 요리만 선택하라'와 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. filter 메서드의 결과는 sorted 메서드로, 다시 sorted 결과는 map 메서드로 map 메서드의 결과는 collect로 연결된다.
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 데이터 처리 과정을 병렬화하면서 스레드와 락을 걱정할 필요가 없다. 이 모든 것이 스트림 API 덕분이다.
자바 8의 스트림 API 특징을 요약하면 다음과 같다.
- 선언형: 더 간결하고 가독성이 좋아진다.
- 조립할 수 있음: 유연성이 더 좋아진다.
- 병렬화: 성능이 좋아진다.
Dish 클래스는 다음과 같으며, 해당 코드를 이용해 스트림 API를 사용하는 방법을 자세히 살펴본다.
package chap04;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
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;
}
public enum Type {
MEAT,
FISH,
OTHER
}
@Override
public String toString() {
return name;
}
public static final 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 fries", 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, 400, Dish.Type.FISH),
new Dish("salmon", false, 450, Dish.Type.FISH)
);
}
스트림 사용 예제
스트림이란 정확히 무엇일까? 스트림은 '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. 컬렉션은 자료구조이므로 컬렉션에서는 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장 및 접근 연산이 주를 이룬다. 반면, 스트림은 filter, sorted, map처럼 표현 계산식이 주를 이룬다. 즉, 컬렉션의 주제는 데이터고, 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 연선
스트림은 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 지원한다. 예를 들어 filter, map, reduce, find, match, sort 등으로 데이터를 조작할 수 있다. 스트림 연산은 순차적 또는 병렬로 실행할 수 있다.
스트림에는 다음과 같은 두 가지 중요 특징이 있다.
- 파이프라이닝
대부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 거대한 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. 이는 뒤에서 자세히 설명한다.
지금까지 설명한 내용을 예제로 확인하자.
List<String> threeHighCaloricDishNames = menu.stream() // 메뉴(요리 리스트)에서 스트림을 얻는다.
.filter(dish -> dish.getCalories() > 300) // 파이프라인 연산 만들기, 첫 번째로 고칼로리 요리를 필터링한다.
.map(Dish::getName) // 요리명 추출
.limit(3) // 선착순 세 개만 선택
.collect(toList()); //결과를 다른 리스트로 저장
System.out.println(threeHighCaloricDishNames); // 결과: [pork, beef, chicken]
먼저, 요리 리스트를 포함하는 menu에 메서드를 호출해서 스트림을 얻었다. 여기서 데이터 소스는 요리 리스트(메뉴)다. 데이터 소스는 연속된 소스를 스트림에 제공한다. 다음으로 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. collect는 스트림이 아닌 List를 반환한다. 마지막에 collect를 호출하기 전까지는 menu에서 무엇도 선택되지 않으며, 출력 결과도 없다.
아래의 그림은 일련의 스트림 연산이 적용되는 모습을 보여주며, filter, map, limit, collect는 각각 다음 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.
스트림과 컬렉션
자바의 기존 컬렉션과 새로운 스트림의 공통점은 연속된 요소 형식의 값을 저장하는 자료구조의 인터페이스를 제공한다. 연속된이라는 표현은 순서와 상관없이 아무 값에나 접속하는 것이 아니라, 순차적으로 값에 접근한다는 것을 의미한다. 그렇다면 컬렉션과 스트림의 차이는 무엇일까?
데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이다. 컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다(컬렉션에 요소를 추가하거나 컬렉션의 요소를 삭제할 수 있다. 이런 연산을 수행할 때마다 컬렉션의 모든 요소를 메모리에 저장해야 하며 컬렉션에 추가하려는 요소는 미리 계산되어야 한다).
반면 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다(스트림에 요소를 추가하거나 제거할 수 없다). 사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다. 결과적으로 스트림은 생산자와 소비자 관계를 형성한다. 또한 스트림은 게으르게 만들어지는 컬렉션과 같다. 즉, 사용자가 데이터를 요청할 때만 값을 계산한다.
아래의 그림은 DVD, 인터넷 스트리밍 예제에 반영된 스트림과 컬렉션의 차이를 보여준다.
딱 한 번만 탐색할 수 있다.
스트림은 딱 한 번만 탐색할 수 있다. 즉, 탐색된 스트림의 요소는 소비된다. 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다(컬렉션처럼 반복 사용할 수 있는 데이터 소스여야 한다. 데이터 소스가 I/O 채널이라면 소스를 반복 사용할 수 없으므로 새로운 스트림을 만들 수 없다).
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.
컬렉션: for-each 루프를 반복하는 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>();
for(Dish dish: menu) {
names.add(dish.getName());
}
스트림: 내부 반복
List<String> names = menu.stream()
.map(Dish::getName)
.collect(toList());
컬렉션은 외부적으로 반복, 즉 명시적으로 컬렉션 항목을 하나씩 가져와서 처리한다. 내부 반복을 이용하면 작업을 투명하게 병렬로 처리하거나 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다. 기존 자바에서처럼 컬렉션을 외부 반복으로 처리한다면 이와 같은 최적화를 달성하기 어렵다. 또한, 스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 for-each를 이용하는 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다. 아래의 그림은 스트림(내부 반복)과 컬렉션(외부 반복)의 차이를 보여준다.
스트림 연산
java.util.stream.Stream 인터페이스는 많은 연산을 정의하며, 스트림 인터페이스의 연산을 크게 두 가지로 구분할 수 있다.
- filter, map, limit 등은 서로 연결되어 파이프라인을 형성한다.
- collect로 파이프라인을 실행한 다음 닫는다.
연결할 수 있는 스트림 연산을 중간 연산이라고 하며, 스트림을 닫는 연산을 최종 연산이라고 한다. 그림은 이 두 그룹을 보여준다.
중간 연산
중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 실행해서 질의를 만들 수 있다. 중간 연산의 중요한 특징은 최종 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다는 것이다. 즉, 게으르다고 할 수 있다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.
최종 연산
최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다. 보통 최종 연산에 의해 List, Integer, void 등 스트림 이외의 결과가 반환된다.
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 빌더 패턴(builder pattern)과 비슷하다. 빌더 패턴은 호출을 연결해서 설정을 만든다(스트림에서 중간 연산을 연결하는 것과 같다). 그리고 준비된 설정에 build 메서드를 호출한다(스트림에서는 최종 연산에 해당).
아래의 표는 중간 연산과 최종 연산에 대해 요약한 표이다.
중간 연산
| 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
| 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 연슨 | 스트림을 리듀스해서 리스트, 맵, 정수 형식의 컬렉션을 만든다. |
정리
- 스트림은 소스에서 추출된 연속 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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