🌊 Input / Output

✔ I/O : Input, Output 을 더 빠르게, 적절하게 처리하는 문제

코딩테스트에서 함수를 구현하라고 지시받을 때도 많지만, 직접 주어진 데이터를 입력하여 문제에서 지정된 형태의 값을 출력하라고 요구받는 때도 많다. 개인적으로 Scanner의 readline 함수를 통해 미니 과제를 전부 해결하여, 코딩테스트에서도 이를 처음에 사용하였지만, 더 작은 수행시간을 가진 코드들은 Scanner가 아닌 InputStreamReader를 통해 대략 이런식으로 인풋을 받는 것을 확인했다:

BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
int someInput = Integer.parseInt(br.readLine());

그 뒤로는 매번 이렇게 입력을 처리했지만, 실제로 무엇이 다른지 몰랐기에, 이 문서에서 해당 부분을 알아본다.

🌊 Stream : 데이터를 운반하는 연결 통로

입출력이란 컴퓨터 내외부 장치와 프로그램간의 데이터를 주고 받는 일이고, Stream 이란 이 과정에서 두 대상을 연결하고, 데이터를 전송하는 통로이다.

주요 특징은 아래와 같다 :

• 단방향 통신 - 입력과 출력 동시에 처리 X
• FIFO - 먼저 보낸 데이터를 먼저 받게 된다
• 기본적으로 바이트 단위로 데이터 전송
• 입출력 대상에 따라 다양한 종류가 있다

🌊 바이트 기반 스트림

모든 바이트 기반 스트림은 InputStream 과 OutputStream 의 자손이며 입출력 대상의 종류에 따라 파생되었다. 예로 들어, 파일에 대해 입출력을 하는 Stream Class 는 FileInputStream, FileOutputStream 이다. 이처럼 여러 종류의 I/O Stream 이 존재하지만, 입출력에 관한 주요 메서드들을 조상인 InputStream, OutputStream 의 추상 메서드들을 override 하여 구현하였기 때문에 다행스럽게도 프로그래밍을 하기에 편리하다.

abstract int read(); // why int not byte ? 읽을수 없음을 -1  로 표현하기 때문
abstract void write(byte[] b);

int read(byte[] b, int off, int len);
void write(byte[] b , int off, int len);

주요 메서드들을 조금 살펴보면,

• int available() : 스트림으로부터 블락킹 (blocking) 없이 읽어올 수 있는 데이터의 크기
• void mark(int readlimit) : 현재 위치 표시, reset에 의해 돌아갈 수 있다. markSupported() == true일 때만 사용 가능. mark 로 부터 readlimit 보다 더 읽어 들이면 save X
• long skip(long n) : n 만큼 skip한다.
• void flush() : 스트림 버퍼에 있는 모든 내용을 출력에 쓴다
• void close() : 스트림을 닫고, 사용하고 있던 자원을 반환한다.

🌊 보조 스트림

보조 스트림은 실제 데이터를 주고 받는 것에 사용되지 않고, 기본 스트림의 기능을 향상시키거나 추가할 때 쓰인다. 따라서, 스트림을 먼저 생성한 이후 보조스트림을 생성한다. 예로 들어, 아까 File에 대한 입출력을 FileInput/OutputStream 에서 처리할 수 있다고 했는데, 입력 성능을 향상시키기 위해서 BufferedInputStream을 사용할 수 있다.

이름에서 알 수 있듯이, FileInputStream의 read()는 1 byte 씩 파일에서 읽어오는 반면, BufferedInputStream 은 내부적으로 Buffer array 를 생성해 필요한 데이터를 해당 버퍼에서 읽어오고, File 에서 필요한 부분만큼 Buffer를 다시 채운다. 만약 한 파일에서 256 Byte를 읽어와야한다면, FileInputStream은 해당 File 을 전부 읽어들이기 위해 256번 read call 을 만들 것이지만, BufferedReader는 한번에 더 많이 읽어 들여 1-2번의 call 로 해결한다. 보통 파일의 경우 8K정도의 크기로 버퍼를 설정한다고 한다.

조금 주의해야 할 점은, 출력의 경우, 버퍼가 가득 찼을 때만 출력 소스에 출력을 하기 때문에, 마지막 부분이 버퍼에 남아 있는 채로 프로그램이 종료 될 수 있다. 이 때는 모두 출력 될 수 있도록 close 나 flush 함수를 써주도록 하자.

실제로 얼마나 차이가 나는지 실험을 해보았다. 약 8693 KB 의 파일을 읽어들이는 데 걸리는 속도를 측정한 것이었는데, 결과는 충격적이었다. FileInputSystem으로는 약 26ms의 시간이 걸렸지만, BufferedInputSystem으로는 0.00005ms 미만이 걸렸다..!

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
        long beforeTime = System.currentTimeMillis();

        FileInputStream fis = null;
        try {
            // 8683 KB 파일 테스트 
            File file = new File("D:\\test.txt");
            fis = new FileInputStream(file);
            // BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
            int i = 0;
            while ((i = bis.read()) != -1) {
                System.out.write(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e);
        } finally {
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException io) {
            }


            long afterTime = System.currentTimeMillis();
            long secDiffTime = (afterTime - beforeTime) / 1000;
            System.out.println("시간차이(m) : " + secDiffTime);
        }
    }
}

위에서 테스트한 BufferedInputStream 외에도 아래와 같은 도움이 되는 보조 스트림이 있으니, 알아두면 코드 성능 향상도 되고 편리성도 갖추어 좋을 것 같다:

• DataInputStream : primitive type으로 데이터를 처리하는 기능 (writeInt, writeShort...)
• LineNumberReader : 읽어온 데이터의 라인 번호를 카운트
• SequenceInputStream : 2개 이상의 스트림을 연속적으로 연결 (한번에는 안되고 정해진 순서대로)

✔ Reader / Writer : Byte 스트림으로 문자열을 처리하는 문제

char형이 1바이트가 아닌 2바이트이기 때문에 기존에 언급한 바이트 기반으로는 문자를 처리하는 데에 어려움이 있다. 이럴 때는 바이트기반 스트림을 쓰지말고, 문자 기반 스트림을 쓰자. InputStream/ OutputStream 대신에 Reader/Writer suffix 를 가지고 있다. 중요 추상 메서드 read / write를 먼저 살펴보면, 아래같은 차이가 있다.

abstract int read(char[] cbuf, int off, int len)
void write(char[] cbuf)

그리고 단순히 2 byte로 입출력을 하는 것에서 끝나지 않고, 여러 종류의 인코딩과 자바에서 사용하는 유니코드간의 변환을 자동으로 처리해준다. 지정된 인코딩을 사용하는 Reader를 생성할 수도 있고, 현재 인코딩을 알려주기도 한다. 아래 예제 코드의 출력을 살펴보면,

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {

        try
        {
            FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\\test.txt");
            FileReader fr = new FileReader("D:\\test.txt");

            int data = 0;
            while( (data = fis.read()) != -1) {
                System.out.print((char) data);
            }

            fis.close();

            System.out.println();
            while((data = fr.read())!= -1)
            {
                System.out.print((char)data);
            }

            fr.close();

        }catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }


    }

}

출력 :
이것은 테스트
이것은 테스트

이렇게 기본 FileInputStream을 사용했을 때는 한글이 깨져서 나오는걸 알 수 있다. 다만, 이미지와 사운드 같은 바이너리 파일들을 처리할 때 사용하면 제대로 되지 않으니, 쓰임새를 꼭 파악하고 적절한 Stream 을 쓰도록 하자.

❔ 다시 돌아와서, 그럼 BufferedReader / Writer 는?

버퍼를 사용하여 입출력의 효율을 늘리는 문자기반의 보조 스트림이라고 할 수 있겠다.

BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
int someInput = Integer.parseInt(br.readLine());

그리고 Scanner보다 빨랐던 이유는 Buffer 크기 사이즈 때문이다. Scanner 는 1KB 크기의 버퍼를 갖지만, BufferedReader는 그것보다 큰 버퍼를 가져, 한번에 전송하기 때문에 빠르다. 추가적으로는, Scanner는 Parsing 과정을 거치기 때문에 편리한 부분이 분명 있지만 시간이 소요되기 때문에 평균 약 8배 정도 입출력에 대해 BufferedReader 가 빠르다.

이제 나머지 부분은 System. in 이 부분인데, 표준 입출력 시스템 (Standard I/O)이다. 따로 생성하지 않아도, 자바 프로그램을 실행하면 자동으로 3가지, in, out, err 가 생성되어 제공된다. 내부를 조금 더 살펴보면, 이렇게 선언되어 있다 :

public final static InputStream in = null;
public final static PrintStream out = null;
public final static PrintStream err = null;

in, out, err 는 System 클래스에 선언된 static 변수이며, 타입은 InputStream/PrintStream이지만 실제로는 BufferedInputStream/BufferedPrintStream의 인스턴스로 사용된다. 물론, setIn(), setOut(), setErr() 등의 함수를 이용해 콘솔 이외에 다른 입출력 대상으로 변경할 수 있다.