Modern Java in Action - CH4 스트림 소개

AIR·2024년 4월 23일

Modern Java in Action

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자바는 대부분의 비즈니스 로직에 반복자, 누적자 등을 이용하여 속성을 이용하여 어떻게 필터링할 것인지 구현한다. 하지만 데이터베이스에서는 구현할 필요없이 선언형으로 이와 같은 연산을 표현할 수 있다. SQL에서는 질의를 어떻게 구현해야 할지 명시할 필요가 없으며 구현은 자동으로 제공된다.

스트림

스트림(Stream)은 자바 8 API에 새로 추가된 기능이다. 스트림을 이용하면 선언형으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다. 또한 스트림을 이용하면 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.

자바 8의 스트림 API의 특징을 다음처럼 요약할 수 있다.

선언형: 더 간결하고 가독성이 좋아진다.
조립할 수 있음: 유연성이 좋아진다.
병렬화: 성능이 좋아진다.

스트림이란 '데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소(Sequence of elements)'로 정의할 수 있다.

연속된 요소: 컬렉션과 마찬가지로 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다. 컬렉션은 자료구조이므로 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장 및 접근 연산이 주를 이루지만 스트림은 filter, sorted, map처럼 표현 계산식이 주를 이룬다.
소스: 스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다. 정렬된 컬렉션으로 스트림을 생성하면 정렬이 그대로 유지된다.
데이터 처리 연산: 스트림은 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 지원한다. filter, map, reduce, find, match, sort 등으로 데이터를 조작할 수 있다. 스트림 연산은 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.

또한 스트림에는 다음과 같은 두 가지 중요 특징이 있다.

파이프라이닝(Pipelining): 대부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이프라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 그 덕분에 laziness, short-circuiting 같은 최적화도 얻을 수 있다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.
내부 반복: 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

List<String> threeHighCaloricDishNames =
        menu.stream()
                .filter(dish -> dish.getCalories() > 300)
                .map(Dish::getName)
                .limit(3)
                .collect(Collectors.toList();

위 코드를 보면

menu에서 스트림을 얻는다. 데이터 소스는 연속된 요소를 스트림에 제공한다.
다음으로 스트림에 filter, map, limit, collect로 이어지는 일련의 데이터 처리 연산을 적용한다. collect를 제외한 모든 연산은 서로 파이프라인을 형성할 수 있도록 스트림을 반환한다.
collect 연산으로 파이프라인을 처리해서 결과를 반환한다. collect를 호출하기 전 까지는 menu에서 무엇도 선택되지 않으며 출력 결과도 없다. 즉, collect가 호출되기 전까지 메서드 호출이 저장되는 효과가 있다.

각 단계를 그림으로 표현하면 다음과 같다.

스트림과 컬렉션

데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이다. 컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장한다. 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다. 적극적 생성이라 하며 모든 값을 계산할 때까지 기다린다는 의미다.

반면 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다. 스트림에 요소를 추가하거나 스트림에서 요소를 제거할 수 없다. 게으른 생성이라 하며 필요할 때만 값을 계산한다는 의미다.

딱 한 번만 탐색

스트림은 단 한 번만 소비할 수 있다.

List<String> title = Arrays.asList("Java8", "In", "Action");
Stream<String> s = title.stream();
s.forEach(System.out::println);  //title의 각 단어를 출력
s.forEach(System.out::println);  //IllegalStateException: 스트림이 이미 소비됐거나 닫힘

외부 반복과 내부 반복

컬렉션 인터페이스는 사용자가 직접 요소를 반복해야 하며 이를 외부 반복(external iteration)이라 한다. 반면 스트림 라이브러리는 내부 반복(internal iteration)을 사용한다.

for-each 구문은 반복자를 사용하는 불편함을 어느 정도 해결해주며 Iterator 객체를 이용하는 것보다 더 쉽게 컬렉션을 반복할 수 있다.

List<String> names = new ArrayList<>();
for (Dish dish : menu) {  //메뉴 리스트를 명시적으로 순차 반복
    names.add(dish.getName());  //이름을 추출해서 리스트에 추가
}

List<String> names2 = new ArrayList<>();
Iterator<Dish> iterator = menu.iterator();
while (iterator.hasNext()) {  //명시적 반복
    Dish dish = iterator.next();
    names2.add(dish.getName());
}

List<String> names3 = menu.stream()
        .map(Dish::getName)
        .collect(Collectors.toList());  //파이프라인을 실행한다. 반복자는 필요없다.

내부 반복을 이용하면 작업을 투명하게 병렬로 처리하거나 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다. 기존 자바에서처럼 컬렉션을 외부 반복으로 처리한다면 이와 같은 최적화를 달성하기 어렵다. 또한 스트림의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 for-each를 사용하는 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다.