13주차 과제. 자바의 Input과 Output에 대해 학습하세요.

Jiwon·2022년 11월 13일

학습할 것

스트림(Stream) / 버퍼(Buffer) / 채널(Channel) 기반의 I/O
InputStream과 OutputStream
Byte 와 Character 스트림
표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)
파일 읽고 쓰기

스트림(Stream)

Java8 부터 지원하는 Stream은 컬렉션, 배열 등에 대해 저장되어있는 요소들을 하나씩 참조하며 반복적인 처리를 가능케하는 기능.
Stream을 이용하면 불필요한 for문과 그 안에서 이루어지는 if문 등의 분기처리를 쓰지 않고도 깔끔하고 직관적인 코드로 변형할 수 있다.

Stream 특징

데이터를 변경하지 않는다.
- Stream은 원본데이터로부터 데이터를 읽기만 할 뿐, 원본데이터 자체를 변경하지 않는다.
일회용이다.
- 한 번 사용하면 닫혀서 재사용이 불가능하다. 필요하다면 정렬된 결과를 컬렉션이나 배열에 담아 반환할 수 있다.
작업을 내부 반복으로 처리한다.
- Stream을 이용한 작업이 간결할 수 있는 비결 중 하나가 바로 내부 반복이다.
  (내부 반복이라는 것은 반복문을 메서드의 내부에 숨길 수 있다는 것을 의미한다. - 반복문이 코드 상에 노출되지 않는다.)

https://ahndding.tistory.com/23

데이터가 들어온 순서대로 흘러다니는 단방향의 통로이다.
입구와 출구가 존재하며 입구를 InputStream, 출구를 OutputStream이라 한다.
Stream 을 통해 데이터는 기본적으로 byte 또는 byte[] 형태로 흘러다닌다.

Stream은 동기적, blocking방식으로 동작한다.
데이터를 읽거나 쓰기 위해 스트림에 요청하면 스트림은 자신의 역할에 맞춰 다시 데이터를 읽거나 쓸 수 있을 때까지 다른 작업을 하지 못하고 무한정 기다린다.

Java에서 모든 I/O는 Stream을 기반으로 하기 때문에 빈번하게 사용되는데,
사용을 끝내고 닫아주지 않으면 심각한 메모리 누수가 발생할 수 있기 때문에 예외처리에 주의를 기울여서 사용하여야 한다.

Buffer

임시로 데이터를 담아둘 수 있는 일종의 큐이다.
바이트 단위의 데이터가 입력될 때마다 Stream은 즉시 전송하게 되는데 이것은 디스크 접근이나 네트워크 접근같은 오버헤드가 발생하기 때문에 매우 비효율적인 방법이다.

중간에서 입력을 모아서 한번에 출력함으로써 I/O의 성능을 향상시키는 역할을 한다.

// Buffer를 사용하지 않고 출력
   public static void nonBufferIO() {  
       for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
           System.out.print(i);  //입력이 있을 때마다 출력
       }  
       System.out.println();  
   }  
 
// Buffer를 사용하여 출력
   public static void bufferIO() {  
       StringBuffer sb = new StringBuffer();  
       for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
           sb.append(i);      //1. 버퍼에 모두 담고
       }  
       sb.append("\n");  
       System.out.print(sb);  //2. 출력
   }  
}

//<수행속도>
//nonBufferIO() : 281(ms)
//bufferIO() : 15 (ms)

위의 코드는 참고 사이트에서 가져온 코드이다.
0부터 10만까지의 숫자를 nonBufferIO()는 매번 화면에 출력하고,
bufferIO()는 입력들을 모두 버퍼에 담은 후 입력이 끝나면 버퍼에 담아둔 데이터를 출력한다.

밀리초로 각 메서드의 수행시간을 측정한 결과 nonBufferIO()는 281밀리초
bufferIO()는 15밀리초로 10배가 넘는 속도차이가 났다.
입력이 많아지고 데이터의 크기가 커질 수록 이 속도의 차이는 커질 것이다.

버퍼의 장점을 스트림에 적용하여 Java에서는 BufferedInputStream과 BufferedOutputStream을 제공한다.

Channel

자바의 기본 입출력 방식이었던 Stream은 blocking 방식과 Non-Buffer의 특징으로 인해 입출력 속도가 느릴 수 밖에 없었다.

자바 4부터 그러한 문제점을 해결하고자 NIO(New Input Ouput)가 java.nio패키지에 포함되어 등장하였는데, Channel이 그 기본 입출력 방식이다.

데이터가 흘러다니는 양방향의 통로.

Channel은 Stream과 유사하지만 동작 방식이 다르다.

양방향이기 때문에 input/output 을 구분하지 않는다.
Stream은 입력과 출력을 위해 InputStream과 OutputStream을 만들어야 했지만 Channel은 그럴 필요가 없다.

또, Channel은 Stream과 다르게 기본적으로 Buffer를 통해서만 read와 write를 할 수 있는 buffer방식이고, blocking방식과 non-blocking방식 모두 가능하다. NIO는 Non-blocking 방식으로 데이터를 처리할 수 있어서 과도한 스레드 생성을 피하고 스레드를 효과적으로 재사용 할 수 있다.

NIO는 불특정 다수의 클라이언트를 연결하거나 하나의 입출력 처리작업이 오래걸리지 않는 경우에 사용하는 것이 좋고,
IO는 연결 클라이언트 수가 적고 전송되는 데이터가 대용량이면서 순차적으로 처리될 필요성이 있는 경우 유리하다.

https://javanitto.tistory.com/11

InputStream과 OutputStream

byte Stream 기반의 최상위 클래스

input stream
output stream

Byte와 Character 스트림

Byte

8bit의 input과 output을 사용할 때 프로그램은 Byte Stream을 사용한다.
모든 Byte Stream 클래스는 InputStream과 OutputStream의 자손 클래스이다.

대부분의 많은 Byte Stream 클래스는 작동 방식을 설명하기 위해 File I/O Byte Stream, File Input/Output에 초점을 맞추게 된다.

스트림을 사용하고 스트림을 닫는 작업 또한 상당히 중요하다.
스트림을 닫음으로써 리소스의 누출을 방지할 수 있고 또한, CopyByte의 에러를 방지할 수 있다.

Character

Java는 문자 값을 유니코드로 저장한다.
Character I/O는 내부적으로 포맷을 자동으로 local character set으로 변환하게 된다.
local character set은 보통 ASCII 코드의 superset이다.

대부분의 app에서 character I/O Stream은 byte Stream보다 복잡하지 않다.
Stream 클래스로 요청된 I/O는 자동으로 local Character set으로 변환하기 때문에 프로그래머의 추가 개발이나 작업 없이 사용할 수 있다.

표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)

유저의 입력을 받기 위해 자바에서 제공하는 스트림으로 java.lang 패키지에 포함되어 있다.
주로 볼 수 있는 Scanner를 선언할 때 () 내부안에 선언하는 System.in이 표준 스트림이다.

키보드를 이용해 입력 받거나 , 프로그램을 실행하며 받는 arg들이 input에 활용될 수 있다.

파일 읽고 쓰기

byte stream, character stream 두 종류가 있다.
둘의 차이점이라면 Read/Write할 때 character stream은 파일을 close하지 않으면 reader로 읽을 수 없다는 것과 File I/O에 버퍼를 사용한다는 것의 차이가 있다.

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class CopyBytes {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        FileInputStream in = null;
        FileOutputStream out = null;

        try {
            in = new FileInputStream("xanadu.txt");
            out = new FileOutputStream("outagain.txt");
            int c;

            while ((c = in.read()) != -1) {
                out.write(c);
            }
        } finally {
            if (in != null) {
                in.close();
            }
            if (out != null) {
                out.close();
            }
        }
    }
}

import java.io.FileReader;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

public class CopyCharacters {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        FileReader inputStream = null;
        FileWriter outputStream = null;

        try {
            inputStream = new FileReader("xanadu.txt");
            outputStream = new FileWriter("characteroutput.txt");

            int c;
            while ((c = inputStream.read()) != -1) {
                outputStream.write(c);
            }
        } finally {
            if (inputStream != null) {
                inputStream.close();
            }
            if (outputStream != null) {
                outputStream.close();
            }
        }
    }
}