Stream API?
스트림은 자바 8 API에 추가된 기능이다. 스트림을 이용하면 선언형으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다. 일단은 스트림이 데이터 컬렉션 반복을 멋지게 처리하는 기능이라고 생각하자. 또한 스트림을 이용하면 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.
- 선언형으로 코드를 구현할 수 있다.
루프와 if 조건문 등 제어 블록을 사용해서 어떻게 동작을 구현할 지 지정할 필요없이 동작의 수행을 지정할 수 있다.- 여러 빌딩 블록 연산을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다.
가독성과 명확성이 유지된다.
filter(또는 sorted, map, collect) 같은 연산은 고수준 빌딩 블록으로 이루어져 있으므로 특정 스레딩 모델에 제한되지 않고 자유롭게 어떤 상황에서든 사용할 수 있다.
텍스트또한 이들은 내부적으로 단일 스레드 모델에 사용할 수 있지만 멀티코어 아키텍처를 최대한 투명하게 활용할 수 있게 구현되어있다.
결과적으로 데이터 처리 과정을 병렬화하면서 스레드와 락을 걱정할 필요가 없게 된다.
자바 8 스트림 API의 특징
선언형: 더 간결하고 가독성이 높아진다.
조립 가능: 유연성이 높아진다.
병렬화: 성능이 높아진다.
stream
자바 8 컬렉션에는 스트림을 반환하는 stream 메소드가 추가되었다.
stream 정의
'데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소'이다.
- 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 스트림은filter,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 연산
스트림은 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 지원한다. 예를 들어filter,map,reduce,find,match,sort등으로 데이터를 조작할 수 있다. 스트림 연산은 순차적 또는 병렬로 실행할 수 있다.
stream 특징
- 파이프라이닝
대부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이프라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다.
그 덕분에 게으름, 쇼트서킷같은 최적화도 얻을 수 있다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.- 내부 반복
반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.
예제 (실습하기)
Dish 클래스 생성
public class Dish {
private final String name;
private final boolean vegetarian;
private final int calories;
private final Type type;
// 생성자 및 getter 생략
}호출
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, 300, Dish.Type.OTHER),
new Dish("salmon", false, 450, Dish.Type.OTHER)
);
List<String> threeHighCaloricDishNames =
menu.stream() // menu에서 스트림을 얻는다.
.filter(dish -> dish.getCalories()>300) // 고칼로리 요리 필터링
.map(Dish::getName) // 요리명 추출
.limit(3) // 선착순 3개만 선택
.collect(toList()); // 결과를 다른 리스트로 저장
System.out.println(threeHighCaloricDishNames); // [pork, beef, chicken]-
menu.stream()을 통해 스트림을 얻음. (데이터 소스는menu) -
스트림에
filter, map, limit, collect으로 이어지는 일련의 데이터 처리 연산 적용
collect을 제외한 모든 연산은 서로 파이프라인을 형성할 수 있도록 스트림을 반환 -
collect연산으로 파이프라인을 처리해서 결과를 반환
collect은 스트림이 아닌List를 반환
collect호출 전까지는 menu에서 무엇도 선택되지 않으며 출력 결과도 없다.
즉,collect가 호출되기 전까지 메소드 호출이 저장되는 효과가 있다.
자바 8 이전의 방식으로 구현했을 코드를 상상하면서 현재 구현한 코드와 비교해보자.
우선 '고칼로리 요리 3개를 찾아라.'처럼 좀 더 선언형으로 데이터를 처리할 수 있었다.
스트림 라이브러리에서 필터링, 추출, 축소 기능을 제공하므로 직접 기능을 구현할 필요가 없었다.
결과적으로 스트림 API는 파이프라인을 더 최적화할 수 있는 유연성을 제공한다.
스트림으로 어떤 연산을 수행할 수 있는지 더 자세히 살펴보기 전에 컬렉션 API와 스트림 API의 개념적인 차이를 확인하자.
스트림과 컬렉션
자바의 기존 컬렉션과 새로운 스트림 모두 연속된 요소의 형식의 값을 저장하는 자료구조의 인터페이스를 제공한다.
여기서 '연속된'이라는 표현은 순서와 상관없이 아무 값에나 접속하는 것이 아닌 순차적으로 값에 접근하는 것을 의미한다.
스트림과 컬렉션의 차이
데이터를 언제 계산하느냐가 가장 큰 차이로 꼽을 수 있다.
컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야한다.
컬렉션에 요소를 추가하거나 삭제할 수 있으며 이런 연산을 수행할 때마다 컬렉션의 모든 요소를 메모리에 저장해야 하며 컬렉션에 추가하려는 요소는 미리 계산되어야한다.
반면 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다. 스트림에 요소를 추가하거나 제거할 수 없다.
사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다. 그러므로 스트림은 생산자와 소비자 관계를 형성한다. 또한 스트림은 게으르게 만들어지는 컬렉션과 같다. 즉, 사용자가 데이터를 요청할 때만 값을 계산한다.
반면 컬렉션은 적극적으로 생성된다.
딱 한번만 탐색할 수 있다.
반복자와 마찬가지로 스트림도 한 번만 탐색할 수 있다. 즉, 탐색된 스트림의 요소는 소비된다. 반복자와 마찬가지로 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야한다. 그러기 위해서는 컬렉션처럼 반복 사용할 수 있는 데이터 소스여야한다.
스트림은 단 한번만 소비할 수 있다.
외부 반복과 내부 반복
외부 반복이란, 컬렉션 인터페이스를 사용할 때 사용자가 for-each등을 사용해서 직접 요소를 반복하는 작업을 말한다.
내부 반복이란, 스트림 라이브러리가 사용하는 반복 작업이다. 반복을 알아서 처리하고 결과 스트립값을 어딘가에 저장해준다. 함수에 어떠한 작업을 수행할지만 지정해주면 모든 것이 알아서 처리된다.
컬렉션: for-each 루프를 사용한 외부반복
List<String> names = new ArrayList<>(); for(Dish dish: menu){ names.add(dish.getName()); }
for-each 구문을 사용하면 Iterator 객체를 이용하는 것보다 더 쉽게 컬렉션을 반복할 수 있다.
컬렉션: 내부적으로 숨겨졌던 반복자를 사용한 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>(); Iterator<Dish> iterator = menu.iterator(); while (iterator.hasNext()){ Dish dish = iterator.next(); names.add(dish.getName()); }
스트림: 내부 반복
List<String> names = menu.stream() .map(Dish::getName) .collect(toList());
내부반복이 더 좋은 이유 두 가지
- 작업을 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.
- 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다.
+ for-each를 이용하는 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야한다. 이것은 병렬성을 포기하거나 synchronized로 시작하는 힘들고 긴 전쟁을 시작함을 의미한다.
스트림 연산
내부 반복으로 얻는 이점을 누리기 위해서는 반복을 숨겨주는 연산 리스트가 미리 정의되어 있어야 한다.
java.util.stream.Stream 인터페이스는 많은 연산을 정의한다. 스트림 인터페이스의 연산을 크게 두 가지로 구분할 수 있다.
- 중간 연산
연결할 수 있는 스트림 연산- 최종 연산
스트림을 닫는 연산
중간 연산
filter나 sorted 같은 중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 연결해서 질의를 만들 수 있다.
중간 연산의 중요한 특징은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다는 것, 즉 게으르다는 것이다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.
List<String> names = menu.stream()
.filter(dish -> {
System.out.println("filter: " + dish.getName());
return dish.getCalories() > 300;
})
.map(dish -> {
System.out.println("map: " + dish.getName());
return dish.getName();
})
.limit(3)
.collect(toList());출력 결과
filter: pork
map: pork
filter: beef
map: beef
filter: chicken
map: chicken스트림의 게으른 특성 덕분에 몇 가지 최적화 효과를 얻을 수 있었다.
- 300칼로리가 넘는 요리는 여러 개지만 오직 처음 3개만 선택되었다.
이는limit연산과 쇼트서킷이라고 불리는 기법 덕분이다.filter와map은 서로 다른 연산이지만 한 과정으로 병합되었다.
이 기법을 루프 퓨전이라고 한다.
최종 연산
최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다. 보통 최종 연산에 의해 List, Integer, void 등 스트림 이외의 결과가 반환된다.
menu.stream().forEach(System.out::println);예를 들어 위 파이프라인에서 forEach는 소스의 각 요리에 람다를 적용한 다음 void를 반환하는 최종 연산이다.
스트림 이용하기
스트림 이용 과정은 다음 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 중간 연산
| 연산 | 반환 형식 | 연산의 인수 | 함수 디스크립터 |
|---|---|---|---|
| filter | Stream<T> | Predicate<T> | T -> boolean |
| map | Stream<R> | Function<T, R> | T -> R |
| limit | Stream<T> | ||
| sorted | Stream<T> | Comparator<T> | (T, T) -> int |
| distinct | Stream<T> |
스트림 최종 연산
| 연산 | 반환 형식 | 목적 |
|---|---|---|
| forEach | void | 스트림의 각 요소를 소비한다면서 람다를 적용한다. |
| count | long | 스트림의 요소 개수를 반환한다. |
| collect | 스트림을 리듀스해서 리스트, 맵, 정수 형식의 컬렉션을 만든다. |
위 내용이 전부는 아니다.
정리
- 스트림은 소스에서 추출된 연속된 요소로, 데이터 처리 연산을 지원한다.
- 스트림은 내부 반복을 지원한다. 내부 반복은
filter,map,sorted등의 연산으로 반복을 추상화한다.- 스트림에는 중간 연산과 최종 연산이 있다.
- 중간 연산은
filter와map처럼 스트림을 반환하면서 다른 연산과 연결되는 연산이다. 중간 연산을 이용해서 파이프라인은 구성할 수 있지만 중간 연산으로는 어떤 결과도 생성할 수 없다.forEach나count처럼 스트림 파이프라인을 처리해서 스트림이 아닌 결과를 반환하는 연산을 최종 연산이라고 한다.- 스트림의 요소는 요청할 때 게으르게 계산된다.
이 글은 모던 인 자바 액션 책을 실습하며 참고하여 작성한 글입니다.
