쉽게 배우는 자바 8~12

kdew0308·2022년 10월 26일

자바

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8) I/O와 Stream

입출력(Input/Output)

컴퓨터 내부 또는 외부 장치와 프로그램 사이에서 데이터를 주고 받는 것

Stream

Java에서 I/O을 위해 두 대상을 연결하여 데이터를 송/수신하는데 사용되는 연결통로
중간에 끊김이 없이 연속적으로 데이터를 송/수신

8-1) Stream의 종류

I/O Stream은 한 종류의 일만 할 수 있음(읽거나 쓰거나)
- InputStream : 입력이 가능한 Stream(read()로 입력)
- OutputStream : 출력이 가능한 Stream(write()로 출력)
데이터 종류에 따라서도 바이트 기반 Stream과 문자 기반 Stream이 존재
- 각 Stream에는 보조 Stream을 이용해 기반 Stream의 겅능을 높임

📌Byte 기반 Stream

📌Byte 기반 보조 Stream

📌문자 기반 Stream

📌문자 기반 보조 Stream

📌표준 입출력

키보드와 콘솔(화면)을 통해 입력과 출력이 되는 걸 뜻함
- System.in : 콘솔로부터 입력을 받을 때 사용
- System.out : 콘솔로 메세지 출력할 때 사용
- System.err : System.out과 유사하지만 Error 메세지를 출력할 때 사용
선언 부분은 PrintStream이지만 실제로는 버퍼를 이용하는 BufferedInput/OutputStream의 인스턴스를 사용

📌파일 입출력

File 클래스

File의 생성이나 삭제, 혹은 Directory를 다루는데 사용되는 클래스
파일의 내용을 읽기/쓰기 기능을 원한다면 file Stream을 이용해야 함.

RandomAccessFile 클래스

파일에 대한 I/O를 하나의 클래스로 사용할 수 있도록 구현할 클래스
파일에 특정 위치에 쓰거나 읽는 것이 가능

📌직렬화(Serialization)

직렬화 : 객체에 저장된 데이터를 스트림에 쓰기 위해 연속적인 데이터로 변환하는 것 <-> 역직렬화
- ObjectInputStream/ObjectOutputStream을 이용해 객체 직렬화/역직렬화
- Serializable 인터페이스를 구현해야함.
- transient 키워드로 특정 필드를 직렬화에 배제할 수 있음.

8-2) 오류와 예외

프로그램의 에러는 크게 3가지
- 컴파일 에러
- 런타임 에러
- 논리적 에러
Java에서의 런타임 에러
- 오류(Error) : 로직 상에서 수습될 수 없는 심각한 오류
- 예외(Exception) : 로직 상에서 수습될 수 있는 미약한 오류

📌Exception 분류

Exception 클래스들은 사용자로부터 발생되는 예외(Checked Exception)
- Complie 시점에 체크
- DataFormatException, FileNotFoundException 등
RuntimeException 클래스들은 개발자의 실수로 발생되는 예외(Unchecked Exception)
- Complie 시점에 체크할 수 없음
- NullPointerException, ArithmeticException 등

📌Exception 클래스 계층

8-3) 예외 처리

📌try-catch-finally문

📌try-with-resources문

📌예외 선언

메소드에 예외를 선언하는 법
- 예외를 처리하는 방법으로는try-catch-finally문 뿐 아니라 throws로 메소드를 호출한 메소드에게 처리를 위임하는 방법
- 여러 예외인 경우 ,(쉼표)로 구분하며 Exception만 붙여주면 모든 예외가 발생할 가능성이 있다는 뜻
- 위임하는 처리 방법으로 통해 호출 관계를 알 수 있음

📌예외 발생과 catch 블록

📌사용자 정의 예외

기존 Exception 혹 RuntimeException 클래스를 상속받아 구현

📌연결된 예외의 처리

여러 예외 중 원인 예외를 지정해서 처리하는 방식
- A예외가 B예외를 일으켰다면 A예외를 원ㅇ니 예외로 지정
- initCause 메소드로 지정
연결된 예외 처리를 하는 이유
- 여러 작은 Exception을 하나의 큰 exceptiond으로 묶어서 처리
- Checked exception을 unchecked exception으로 변경해서 처리

과제1

콘솔로 10개의 입력 받은 수들의 합과 평균을 내는 로직을 작성하고, 수가 입력되지 않을 때 예외 처리 하는 로직을 작성하세요.
- Scanner로 숫자 입력은 nextInt()
- InputMismatchException 사용

과제2

파일을 생성하고, 파일에 텍스트 5줄을 입력하는 로직을 작성하세요.
- try-with-resoueces 구문 사용
- RandomAccessFile 클래스 사용

9) Generics와 Enum

9-1) Generics

📌제네릭이란?

클래스나 메소드에서 사용할 내부 데이터 타입을 컴파일 시에 미리 지정하는 방법
- 즉, 개발 시점에서는 일반화한 타입을 지정
- 이로서 형변환의 번거로움을 줄여주고, 컴파일 타입에 체크함으로써 안정성을 높임

📌제네릭 선언과 사용

📌제네릭 메서드

매개 변수와 반환 값에 타입 파라미터를 갖는 메소드
- 제네릭 클래스의 <T>와 제네릭 메서드의 <T>는 별개
- static 변수에 제네릭 타입은 안되지만 메서드에는 가능
- 제네릭 메서드는 호출할 때 마다 타입 매개변수에 타입을 대임(대부분 추론 가능)

📌제네릭 타입과 다형성

참조 변수와 생성자로 대입된 타입은 일치해야 함
부모 타입으로 지정된 자료 구조나 참조 변수에는 자식 클래스가 들어갈 수 있음
JDK 1.7부터는 타입 추론이 가능(생성자 타입을 추론 가능)
대입된 타입이 다른 제네릭 타입 간의 형 변환은 불가능(와일드 카드인 경우 가능)

📌제한된 제네릭

제네릭 타입에 'extends' 키워드를 사용하면 같은 부모 클래스와 부모 클래스를 상속받는 자식 클래스들만 가능
- <T extends Animal> 와 같은 식으로 하면 Animal 클래스와 Animal이라는 부모 클래스를 상속받는 자식 클래스만 T에 들어갈 수 있음
- 특정 인터페이스를 구현한 클래스로 제약이 필요하면 implements가 아닌 extends를 사용

📌와일드 카드

메소드의 매개변수로 제네릭 클래스의 객체를 받을 때, 타입을 제한하기 위해 사용
- <? extends T> 상한 제한(upper bound) : T와 그 자손들을 구현한 객체들만 매개변수로 가능
- <? super T> 하한 제한(lower bound) : T와 그 조상들을 구현한 객체들만 매개변수로 가능
- <?> : 제한 없음
- 와일드 카드에는 "&"을 사용할 수 없음

9-2) Enum

📌열거형(Enum type)이란?

관련된 상수들을 모아서 나열해 둔 타입을 뜻함
- 자바의 열거형은 값과 타입을 모두 체크 -> 하나라도 다르면 컴파일 에러가 발생
- 타입에 안전(Type safe)한 열거형을 제공
- 열거형에는 기본적으로 0부터 시작되는 정수 값이 ordinal로 부여됨
- 정수 값 외에 필드도 추가 할 수 있음

📌열거형 비교

열거형 비교에서는 '=='과 compareTo 메서드 사용 가능
- compareTo 메서드는 oridinal의 차이를 반환

📌java.lang.Enum

모든 Enum의 조상격인 추상 클래스

과제

제네릭의 와일드 카드를 사용하여 sum이라는 함수를 구현하세요.

Sum 메소드에서 숫자 관련된 데이터 타입을 다 받을 수 있어야 함
반환 타입을 double

10) Lambda와 Stream

10-1) 람다 표현식(Lambda Expression)

메서드를 하나의 식으로 표현한 것

형태는 매개 변수를 가진 코드 블록이지만 런타임 시에는 익명 클래스를 생성
간략하면서도 명확한 식으로 표현
객체지향보다 함수 지향 언어와 가까움
(타입 매개변수) -> { 실행문; ... } 형태로 작성

📌람다 표현식의 특징

장점

코드의 간결성
지연연산 수행
병렬처리 가능

단점

람다식의 호출이 까다로움
람다 stream으로 단순 반복문 사용 시 성능 저하
불필요한 사용 시, 가독성 저하

📌함수형 인터페이스

구현해야 할 추상 메소드가 하나만 정의된 인터페이스

인터페이스 위에 @FunctionalInterface룰 붙여 표시
컴파일러에서 추상 메서드를 갖춘 인터페이스인지 검사

📌java.util.function 패키지

자주 사용하는 형식에 대한 interface를 제공(>=JDK 1.8)

10-2) Stream API

📌스트림이란?

여러 종류의 데이터를 다양한 방식으로 다룰 수 있도록 제공하는 표준화된 방법 (>=JDK 1.8)

배열이나 컬렉션 뿐만 아니라 파일 데이터도 가능
반복문이나 반복자(iterator)를 사용하여 개발하지 않아도 되도록 지원

📌스트림 특징

원본 데이터를 변경 불가능
일회용
내부 반복으로 작업 처리
기본 데이터 형을 처리할 수 있는 래퍼 스트림 지원
(Int/Double/LongStream)

📌스트림 연산 과정

스트림 생성 -> 중개 연산(스트림의 변환) -> 최종 연산(스트림의 사용)

📌스트림 생성

스트림을 사용하기 위해서는 아래의 여러 원본 데이터를 이용해 스트림 형태로 만들어야 함

컬렉션, 배열
가변 매개변수
지정된 범위의 연속된 정수
난수들
람다 표현식
파일
빈 스트림

📌스트림 중개 연산

앞에서 생성된 초기 스트림을 전달받아 필터링이나 변환 등의 연산을 수행

Filtering
Mapping
Sorting
Splitting
Iterating

Filtering

filtering() : 주어진 조건에 참인 요소를 필터링
distinct() : 스트림의 중복 요소를 제거

Mapping

map() : map에 명령문을 인수로 전달하여, 반환값들로 구성된 새로운 스트림을 반환
flatMap() : 스트림 요소가 배열인 경우, 주어진 명령문을 적용한 새로운 스트림으로 반환

Sorting

sorted() : Comparator를 구현하여 넘겨주거나 natural order로 정렬

Splitting

limit() : 스트림에서 limit에 들어가는 수만큼의 새로운 스트림을 반환
skip() : 스트림의 첫 요소부터 skip에 들어가는 수를 제외한 새로운 스트림을 반환

Iterating

peek() : 각 요소를 돌면서 peek에 전달된 명령문을 수행

📌스트림 최종 연산

앞에서 수행된 중개 스트림을 전달받아 최종적인 연산을 진행하여 인전의 스트림을 사용 할 수 없게 됨

Calculating
Collecting
Reducing
Matching
Iterating

Calculating

count(), min(), max() : 요소의 개수와 최댓값, 최솟값을 반환
sum(), average() : 요소들의 합과 평균 값을 반환

Collecting

collect() : 매개변수로 Collectors의 구현 메소드를 받아 메소드의 동작대로 요소를 수집하여 반환

Reducing

reduce() : 스트림의 첫 두 요소를 가지고 연산 후, 이후 요소들로 연산한 값을 반환

Matching

anyMatch() : 스트림이 일부 요소가 특정 조건을 만족하면 true를 반환
allMatch() : 스트림이 모든 요소가 특정 조건을 만족하면 true를 반환
noneMatch() : 스트림이 모든 요소가 특정 조건을 만족하지 않으면 true를 반환
findFirst() : 스트림의 첫 요소를 반환
findAny() : 스트림의 첫 요소를 반환하는 것 같지만 parallelStream의 경우에 쓰임

Iterating

foreach() : 각 요소를 돌면서 foreach에 전달된 명령문을 수행

📌Optional 클래스

Null값으로 인한 예외를 회피할 수 있는 래퍼 클래스

모든 타입의 참조 변수를 저장가능
메소드를 이용하여 NullPointerException을 회피 가능
Stream과 비슷하게 기본 데이터 형을 처리할 수 있는 래퍼 클래스 지원

과제1

특정 수를 입력 받아 1부터 해당 수까지 factorial 연산과 합을 구하는 람다 표현식을 작성하세요.

Interface 정의
하나의 메소드로 두가지 기능을 구현

과제2

특정 수를 입력 받고 해당 숫자 안의 모든 소수를 list로 만드는 스트림을 작성하세요.

11) Deep Dive into JVM

11-1) JVM 리마인드

📌Java 동작 원리

📌JDK vs JRE vs JVM

11-2) JVM 구조

📌Class Loader

class 파일을 JVM에 올려주고, 검증, 초기화해주는 역할

클래스 파일을 JVM올려주는 과정을 Loading
클래스 파일을 사용하기 위해 검증하고 기본값으로 초기화하는 과정을 Linking
클래스 파일을 이용해 static 변수 등을 초기화하는 과정을 Initialization

📌Loading 동작과정

Bootstrap Class Loader

가장 필수가 되는 Library class들을 load(rt.jar 등)

Extension Class Loader

Bootstrap class 다음으로 중요한 class를 load($JAVAHOME/jre/lib/ext/*.jar)

Application Class Loader

개발자가 작성한 클래스 파일을 load(classpath에 위치)

📌Linking

Verification

클래스 파일이 올바른지에 대한 검증

Preparation

클래스와 인터페이스 등에 필요한 static field 메모리 할당 및 기본값 초기화

Resolution

Symbolic Reference 값을 Method Area의 Direct Reference값으로 변환

📌Initialization

앞의 과정이 끝나면 Class 파일의 코드를 읽음
클래스와 인터페이스의 값들을 지정한 값으로 초기화
멀티 쓰레드로 동작하기 때문에 동시성 고려

📌Execution Engine

Interpreter

바이트 코드를 한 줄씩 해석, 실행하는 방식
초기 방식으로 속도가 느림
JIT(Just-In-Time) 컴파일러
실제 실행(바이트코드를 실행하는 시점)하는 시점에 각 OS에 맞는 Native Code로 변환하여 실행 속도 향상
모든 코드를 JIT 컴파일러 방식으로 실행하지 않고, 인터프리터 방식을 사용하다 일정 사용기준을 넘어가면 JIT 컴파일러 방식으로 실행
실행할 때 컴파일한 코드를 캐싱

📌Runtime Data Area

Method Area

static 변수, 그리고 메소드에 사용되는 데이터와 같은 Class 메타데이터가 저장
JVM에 하나만 존재, JVM 구동 시에 해당 영역이 생성되고 JVM이 종료 시에 해제

Heap

Java로 구성된 인스턴스, 배열 등이 저장됨
모든 Java Stack 영역에서 참조되어, Thread 간 공유
해당 영역이 모두 차게 되면 OutOfMemoryException발생

Java Stack

Java의 메소드가 호출될 때 사용되는 메모리 공간
변수, 오퍼레이션, reference 정보 등이 저장되어 있음

PC Register

Thread 별로 동시에 동작할 수 있도록 메모리 주소를 저장하는 공간

Native Method Stack

시스템 자원을 사용하거나 Java로 구성된 코드만 사용될 수 없는 경우, 다른 프로그래밍 언어로 작성된 메소드를 호출 시 사용되는 영역

11-2) Garbage Collection

📌Garbage Collection(GC)란?

Java의 Heap 영역에서 참조되고 있지 않는 객체들의 메모리를 할당 해제하는 과정

명시적으로 불필요한 데이터는 null로 선언
System.gc() 메소드로 GC를 할 수 있으나 프로그램의 성능에 큰 영향을 미침
GC과정에서 중요한 개념은 Reachability, Stop-the-world
영역에 따라 Minor GC, Major GC로 나뉨

📌Reachability

GC에서 객체가Garbage인지 판별하는 개념

어떤 객체로부터 유효한 참조가 있으면 ʻreachable’ <-> ʻunreachable’
유요한 참조의 최초 셋을 Root set이라고 함
Heap 영역 내부의 객체들은 Method Area , java Stack , Native Stack 에서 참조되면 reachable로 판정

📌Stop-the-world

GC수행하기 위해 JVM이 애플리케이션 실행을 멈추는 것

Stop-the-world가 발생하면 GC 쓰레드를 제외한 나머지 쓰레드는 모두 작업을 대기
어떤 GC 알고르짐을 사용하더라도 stop-the-world는 발생
GC 튜닝이란 stop-the-world 시간을 줄이는 것

📌GC 기본 알고리즘

Mark & Swap Algorithm

Root Set으로부터 참조된 객체를 mark(Mark phase)
Mark가 없는 객체는 메모리에서 해제(Sweep phase)
Fragmentation 발생
Mark & Swap Algorithm에서 문제인 Fragmentation을 해결
Sweep단계에서 메모리를 해제하고, 메모리를 정리(Compact Phase)

📌발생 시점에 따른 GC

Minor GC

Young Generation 영역에서 일어나는 GC
Eden 영역이 꽉 차면 Minor GC가 발생
사용되지 않는 메모리는 해제되고 Eden 영역에 존재하는 객체는 Survivor 영역으로 이동
두 개의 Survivor 영역 중 한 영역은 반드시 비어야 함
Old Generation에서 일어나는 GC
일반적으로 Minor GC 보다 오래 걸림
Young Gen으로부터 promotion된 객체로 인해 Old gen의 메모리가 부족하면 발생
Major GC가 오래 걸리면 어플리케이션에 치명적인 영향

📌여러가지 GC 방식

Serial GC

Parallel GC

CMS GC

G1 GC

12) Java의 유용한 패키지

12-1) lang 관련 패키지

📌java.lang 패키지

import없이 사용가능한 기본이 되는 가장 중요한 패키지

모든 클래스의 최고 조상 클래스인 Object클래스
String관련 클래스
datatype 관련 클래스
System관련 클래스
Thread관련 클래스 등

📌Object 클래스

모든 자바 클래스의 최고 조상 클래스
아무것도 상속받지 않으면 자동으로 Object를 상속
Object 클래스는 필드가 없으며, 총 11개의 메소드만 존재

📌String 클래스

문자열을 다룰 때 많이 사용하는 클래스(참조형 데이터 타입)

불변 객체
생성자(new)로 변수를 선언하면 heap영역
바로 문자열을 할당할 경우 stack영역

+연산자를 이용해 두 문자열을 합칠 수 있으나 많은 연산 시, 성능 저하

Stringbuffer / Stringbuilder 클래스 이용

📌StringBuffer퐻 StringBuilder

String 클래스 대신 연산이 많은 경우 사용되는 클래스

가변 객체
빈번한 연산 시, 성능 좋음(문자열을 합치거나 중간에 특정 문자를 제거하는 경우 등)

StringBuffer과 StringBuilder의 차이점은 동기화의 유무

동기화를 하지 않는 StringBuilder가 StringBuffer보다 성능이 좋음
멀티 쓰레드 환경에서는 StringBuffer로 동기화

📌String vs StringBuffer

📌Math 클래스

수학적인 통계와 계산 이외에도 삼각 함수와 같은 다양한 기능을 제공하는 클래스
Math 클래스는 생성자가 private으로 되어 있기 때문에 객체를 생성할 수 없음
Math 클래스는 final 클래스 이기 때문에 상속이 불가능

📌Wrapper 클래스

8개의 기본 타입에 해당하는 데이터를 객체로 포장해 주는 클래스

📌boxing과 unboxing

12-2) util 관련 패키지

📌java.util 패키지

개발에 대부분 사용되는 자료구조나 날짜나 시간 등 유용하게 사용되는 클래스들이 모여 있는 패키지

Collection 클래스
Date, Calendar 클래스
Random , StringTokenizer 클래스 등

📌Collection 관련 클래스

다수의 데이터를 쉽고 효과적으로 처리할 수 있는 방법을 제공하는 클래스(>= JDK 1.2)

이 집합을 컬렉션 프레임워크라고 함
Interface를 사용해 구현
대표적으로 많이 사용되는 자료구조의 interface는 List, Set, Map
JDK 1.5부터 Queue interface도 들어옴

Collection들을 다루기 위한 Collections 클래스도 존재

📌List 컬렉션

List 컬렉션은 객체를 일렬로 늘어놓은 구조

객체 자체를 저장하는 것이 아닌 객체의 번지를 참조
순서가 있는 데이터의 집합으로 데이터의 중복을 허용

대표적인 클래스

ArrayList : 배열 기반의 자료구조로 동기화 처리가 없음
Vector: ArrayList와 비슷, 동기화 처리로 성능때문에 잘 사용하지 않음
Stack: Vector클래스를 상속받아 스택 메모리 구조의 클래스를 제공. 후입선출(LIFO) 형태
LinkedList : ArrayList의 단점인 추가, 삭제 기능을 노드를 이용하여 향상시킴

📌Set 컬렉션

Set 컬렉션은 집합과 같은 구조

객체 자체를 저장하는 것이 아닌 객체의 번지를 참조
순서가 없는 데이터의 집합으로 데이터의 중복을 허용하지 않음

대표적인 클래스

HashSet : Set을 구현한 대표적인 클래스, hashcode로 객체를 비교
TreeSet : 이진 탐색 트리(binary search tree)로 구현된 클래스, 범위 탐색과 정렬에 유리, 요소 추가 및 삭제 시 성능 감소
LinkedHashSet : HashSet에 순서 보장 기능 향상