[Java] 파일 비동기 채널

[ 파일 비동기 채널 ]

FileChannel의 read()와 write() 메소드는 파일 입출력 작업 동안 블로킹된다. 만약 UI 및 이벤트를 처리하는 스레드에서 이 메소드들을 호출하면 블로킹되는 동안에 UI 갱신이나 이벤트 처리를 할 수 없다. 따라서 별도의 작업 스레드를 생성해서 이 메소드들을 호출해야 한다. 만약 동시에 처리해야 할 파일 수가 많다면 스레드의 수도 증가하기 때문에 문제가 될 수 있다.

그래서 자바 NIO는 불특정 다수의 파일 및 대용량 파일의 입출력 작업을 위해서 비동기 파일 채널(AsynchronousFileChannel)을 별도로 제공하고 있다.

AsynchronousFileChannel은 파일의 데이터 입출력을 위해 read()와 write() 메소드를 호출하면 스레드풀에게 작업 처리를 요청하고 이 메소드들을 즉시 리턴시킨다. 실질적인 입출력 작업 처리는 스레드풀의 작업 스레드가 담당한다. 작업 스레드가 파일 입출력을 완료하게 되면 콜백(callback) 메소드가 자동 호출되기 때문에 작업 완료 후 실행해야 할 코드가 있다면 콜백 메소드에 작성하면 된다.

AsynchronousFileChannel 생성과 닫기

AsynchronousFileChannel은 두 가지 정적 메소드인 open()을 호출해서 얻을 수 있다.

• 첫 번째 open() 메소드는 다음과 같이 파일의 Path 객체와 열기 옵션 값을 매개값으로 받는다.

AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(
	Path file,
    OpenOption... options
);

• 이렇게 생성된 AsynchronousFileChannel은 내부적으로 생성되는 기본 스레드풀을 이용해서 스레드를 관리한다. 기본 스레드풀의 최대 스레드 개수는 개발자가 지정할 수 없기 때문에 다음과 같이 두 번째 open() 메소드로 AsynchronousFileChannel을 만들 수도 있다.

AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(
	Path file,
    Set<? extends OpenOption> options,
    ExecutorService executor,
    FileAttribute<?>... attrs
);

• file 매개값은 파일의 Path 객체이고, options 매개값은 열기 옵션 값들이 저장된 Set 객체이다.
• executor 매개값은 스레드풀인 ExecutorService 객체이다.
• attrs 매개값은 파일 생성 시 파일 속성값이 될 FileAttribute를 나열하면 된다.

예를 들어 "C:\Temp\file.txt" 파일에 대한 AsynchronousFileChannel은 다음과 같이 생성할 수 있다.

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(
	Runtime.getRuntime().availableProcessors()
);

AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(
	Paths.get("C:/Temp/file.txt"),
    EnumSet.of(StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE),
    executorService
);

• Runtime.getRuntime().availableProcessors()는 CPU의 코어 수를 리턴한다.
  • 쿼드 코어 CPU일 경우는 4를 리턴, 하이퍼 스레딩일 경우는 8을 리턴한다.
• EnumSet.of() 메소드는 매개값으로 나열된 열거 상수를 Set 객체에 담아 리턴한다.
• AsynchronousFileChannel을 더 이상 사용하지 않을 경우에는 다음과 같이 close() 메소드를 호출해서 닫아준다.

fileChannel.close();

파일 읽기와 쓰기

AsynchronousFileChannel이 생성되었다면 read(), write() 메소드를 이용해서 입출력할 수 있다.

read(ByteBuffer dst, long position, A attachment, CompletionHandler<Integer, A> handler);
write(ByteBuffer src, long position, A attachment, CompletionHandler<Integer, A> handler);

• 이 메소드들을 호출하면 즉시 리턴되고, 스레드풀의 스레드가 입출력 작업을 진행한다.
• dst와 src 매개값은 읽거나 쓰기 위한 ByteBuffer이고,
• position 매개값은 파일에서 읽을 위치이거나 쓸 위치이다.
  • 파일의 첫 번째 바이트부터 읽거나 첫 번째 위치에 바이트를 쓰고 싶다면 position을 0으로 주면 된다.
• attachment 매개값은 콜백 메소드로 전달할 첨부 객체이다.
  • 첨부 객체는 콜백 메소드에서 결과값 외에 추가적인 정보를 얻고자 할 때 사용되는 객체를 말한다.
  • 만약 첨부 객체가 필요없다면 null을 대입해도 된다.
• handler 매개값은 Completion<Integer, A> 구현 객체를 지정한다.
  • Integer는 입출력 작업의 결과 타입으로, read()와 write()가 읽거나 쓴 바이트 수이다.
  • A는 첨부 객체 타입으로 개발자가 CompletionHandler 구현 객체를 작성할 때 임의로 지정이 가능하다.
    • 만약 첨부 객체가 필요 없다면 A는 Void가 된다.

✅ CompletionHandler<Integer, A> 구현 객체는 다음 두 가지 메소드를 가져야 한다.

• 비동기 작업이 정상적으로 완료된 경우와 예외 발생으로 실패된 경우에 자동 콜백되는 다음 두 가지 메소드를 가지고 있어야 한다.

리턴 타입	메소드명(매개 변수)	설명
void	completion(Integer result, A attachment)	작업이 정상적으로 완료된 경우 콜백
void	failed(Throwable exc, A attachment)	예외 때문에 작업이 실패된 경우 콜백

• completed() 메소드의 result 매개값은 작업 결과가 대입되는데, read()와 write() 작업 결과는 읽거나 쓴 바이트 수이다.
  • attachment 매개값은 read()와 write() 호출 시 제공된 첨부 객체이다.
• failed() 메소드의 exc 매개값은 작업 처리 도중 발생한 예외이다.
  • 콜백 메소드를 실행하는 스레드는 read()와 write()를 호출한 스레드가 아니고 스레드풀의 작업 스레드이다. 그렇기 때문에 JavaFX 애플리케이션일 경우 UI 생성 및 변경 작업을 이 메소드에서 직접할 수 없고 Platform.runLater()를 이용해야 한다.
• CompletionHandler 구현 클래스는 다음과 같이 작성하면 된다.

new CompletionHander<Integer, A>() {
	@Override
    public void completed(Integer result, A attachment) { ... }
    @Override
	public void failed(Throwable etx, A attachment) { ... }
}

---

[ TCP 블로킹 채널 ]

NIO를 이용해서 TCP 서버/클라이언트 애플리케이션을 개발하려면 블로킹, 넌블로킹, 비동기 구현 방식 중에서 하나를 결정해야 한다. 이 결정에 따라 구현이 완전히 달라지기 때문이다.

다소 복잡해지기도 했지만 네트워크 입출력의 성능과 효율성 면에서 선택의 폭이 넓어졌기 때문에 최적의 네트워크 애플리케이션을 개발할 수 있게 되었다.

서버소켓 채널과 소켓 채널의 용도

NIO에서 TCP 네트워크 통신을 위해 사용하는 채널은
java.nio.channels.ServerSocketChannel과 java.nio.channels.SocketChannel이다.

이 두 채널은 IO의 ServerSocket과 Socket에 대응되는 클래스로, IO가 버퍼를 사용하지 않고 블로킹 입출력 방식만 지원한다면 ServerSocketChannel, SocketChannel은 버퍼를 이용하고 블로킹과 넌블로킹 방식을 모두 지원한다.

사용 방법은 IO와 큰 차이점이 없는데, ServerSocketChannel은 클라이언트 SocketChannel의 연결 요청을 수락하고 통신용 SocketChannel을 생성한다.

서버소켓 채널 생성과 연결 수락

1. 서버를 개발하려면 우선 ServerSocketChannel 객체를 얻어야 한다.

• ServerSocketChannel은 정적 메소드인 open()으로 생성하고, 블로킹 방식으로 동작시키기 위해 configureBlocking(true) 메소드를 호출한다.
  • 기본적으로 블로킹 방식으로 동작하지만, 명시적으로 설정하는 이유는 넌블로킹과 구분하기 위해서이다.
  • 포트에 바인딩하기 위해서 포트 정보를 가진 InetSocketAddress 객체를 매개값으로 bind() 메소드가 호출하면 된다.

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(true);
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(5001));

2. 포트 바인딩까지 끝났다면 ServerSocketChannel은 클라이언트 연결 수락을 위해 accept() 메소드를 실행해야 한다.

• accept() 메소드는 클라이언트가 연결 요청을 하기 전까지 블로킹되기 때문에 UI 및 이벤트를 처리하는 스레드에서 accept() 메소드를 호출하지 않도록 한다.
• 클라이언트가 연결 요청을 하면 accept()는 클라이언트와 통신할 SocketChannel을 만들고 리턴한다.

SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

3. 연결된 클라이언트의 IP와 포트 정보를 알고 싶다면 SocketChannel의 getRemoteAddress() 메소드를 호출해서 SocketAddress를 얻으면 된다.

• 실제 리턴되는 것은 InetSocketAddress 인스턴스이므로 다음과 같이 타입 변환할 수 있다.

InetSocketAddress socketAddress = (InetSocketAddress) socketChannel.getRemoteAddress();

• InetSocketAddress에는 다음과 같이 IP와 포트 정보를 리턴하는 메소드들이 있다.

리턴 타입	메소드명(매개 변수)	설명
String	getHostName()	클라이언트 API 리턴
int	getPort()	클라이언트 포트 번호 리턴
String	toString()	"IP:포트번호" 형태의 문자열 리턴

4. 더 이상 클라이언트를 위해 연결 수락이 필요 없다면 ServerSocketChannel의 close() 메소드를 호출해서 포트를 언바인딩시켜야 한다.

• 그래야 다른 프로그램에서 해당 포트를 재사용할 수 있다.

serverSocketChannel.close();

---

[ 참고자료 ]

이것이 자바다 책