자바 스트림 설명부터 사용하는 이유 파헤쳐보기 #JAVA #스트림

자바 스트림 설명부터 사용하는 이유 파헤쳐보기 #JAVA #스트림

---

안녕하세요? 장장스입니다.

오늘은 자바 스트림에 대해서 정리해 보겠습니다.

 

 

스트림(Stream)이란 무엇인가?

---

스트림(Stream)은 자바 8 API에 새로 추가된 기능이다. 스트림을 이용하면 선언형(더 간결하고 가독성이 좋도록)으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다.

※ JAVA Colletion Data의 상속구조

 

일단 스트림이 데이터 컬렉션 반복을 멋지게 처리하는 기능이라고 생각하자. 또한 스트림을 이용하면 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.

 

예를 들어, Dish 클래스의 리스트 형태인(List<Dish>) menu 리스트가 있을 때, 저칼로리 순서대로 음식명을 추출하고자 한다.

//1. low 칼로리 음식만 리스트로 추출한다.
List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();
for (Dish dish: menu){
    if (dish.getCalories() < 400) {
        lowCaloricDishes.add(dish);
    }
}

//2. low 칼로리 순서대로 음식을 정렬한다.
Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() {
    @Override
    public int compare(Dish o1, Dish o2) {
        return Integer.compare(o1.getCalories(), o2.getCalories());
    }
});

//3. low 칼로리 음식의 이름만 리스트로 반환한다.
List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>();
for (Dish dish : lowCaloricDishes) {
    lowCaloricDishesName.add(dish.getName());
}

먼저 저칼로리의 음식을 리스트로 추출하기 위해 lowCaloricDishes 리스트를 만들고, 칼로리 순서대로 정렬 후,  음식 이름만을 lowCaloricDishesName 리스트로 추출할 수 있다. 이때, 중간에 데이터를 담기 위한 lowCaloricDishes라는 '가비지 변수'를 사용하게 된다.

 

(코드가 매우 길고 보기가 좋지 않다..!)

 

스트림을 이용하면 아래의 코드처럼 lowCaloricDishesName리스트를 추출할 수 있다.

List<String> lowCaloricDishesName =
    menu.stream()
        .filter(d -> d.getCalories() < 400)
        .sorted(Comparator.comparing(Dish::getCalories))
        .map(d -> d.getName())
        .collect(Collectors.toList());

 

일반적인 명령형 프로그래밍의 for문을 사용할 때와 비교하면 확실히 스트림이 더 간결하고, 가독성이 좋아진다.

 

 

 

그래서  스트림(Stream)이 뭔데!

---

스트림(Stream)은 데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소로 정의할 수 있다.

 

데이터 처리 연산

스트림은 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 지원한다. 예를 들어 filter, map, reduce, find, match, sort 등으로 데이터를 조작할 수 있다. 스트림 연산은 데이터를 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.

 

소스

스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다. 정렬된 컬렌션으로 스트림을 생성하면 정렬이 그대로 유지된다. 즉, 리스트로 스트림을 만들면 스트림의 요소는 리스트의 요소와 같은 순서를 유지한다.

 

연속된 요소

컬렉션과 마찬가지로 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다. 컬렉션은 자료구조이므로 컬렉션에서는 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장(ex: add) 및 접근(ex: get) 연산이 주를 이룬다. 반면, 스트림은 filter, map, sorted처럼 표현 계산식이 주를 이룬다. 정리하면, 컬렉션의 주제는 데이터이고, 스트림의 주제는 계산이다.

 

 

스트림(Stream)의 특징

파이프 라이닝

부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이프 라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 그 덕분에 layziness(게으름), short-circuiting(쇼트서킷) 같은 최적화도 얻을 수 있다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.

layziness(게으름)은 최종연산이 실행되기 전까지 중간연산(filter, sorted, map, ..)이 실행되지 않는 것을 말한다.

short-circuiting(쇼트서킷)은 여러 개의 조건이 중첩된 상황에서 값이 결정 나면 더 이상 불필요한 실행을 하지 않도록 하여 실행 속도를 올리는 기법을  말한다.

 

내부 반복

반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

 

 

 

컬렉션과 스트림

---

데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이이다.

 

컬렉션은 우리가 아는 DVD와 비슷하다. 영상 전체 데이터를 CD에 모두 담고 있다. 컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료 구조다. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.

반면, 스트림은 스트리밍 서비스와 비슷하다. 사용자가 필요로 하는 몇 부분만 미리 내려받는다. 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조이다. 사용자가 요청하는 값만 추출하는 것이 스트림의 핵심이다.

 

또 다른 컬렉션과 스트림의 차이점은 외부 반복과 내부 반복이다.

컬렉션을 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복(ex: for-each문)해야 하는데 이를 외부 반복이라 한다. 반면 스트림은 반복을 알아서 처리하고 결과 스트림 값을 어딘가에 저장해 주는 내부 반복을 사용한다.

 

예제를 들어 조금 더 자세히 알아보자. 수학점수와 학년을 변수로 갖는 Score 리스트가 있다.

public static final List<Score> scores = Arrays.asList(
    new Score(100, GRADE.GRADE4)
    ,new Score(80, GRADE.GRADE1)
    ,new Score(17, GRADE.GRADE3)
    ,new Score(50, GRADE.GRADE4)
    ,new Score(28, GRADE.GRADE3)
    ,new Score(30, GRADE.GRADE2)
    ,new Score(98, GRADE.GRADE1)
    ,new Score(69, GRADE.GRADE4)
    ,new Score(87, GRADE.GRADE3)
    ,new Score(76, GRADE.GRADE2)
);

// Score 클래스 일부 소스코드
public static class Score{
    private int math;
    private GRADE grade;

    public Score(int math, GRADE grade) {
        this.math = math;
        this.grade=grade;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Score{" +
                "math=" + math +
                ", grade=" + grade +
                '}';
    }
}

 

List<Score> 에서 학년이 4학년인 학생들의 수학 점수를 추출하려고 한다. 스트림을 활용한 아래의 코드가 실행되면 출력이 어떻게 될까?

scores.stream()
    .filter(g -> {
        System.out.println("filter 연산 : " + g.toString());
        return g.getGrade().equals(GRADE.GRADE4);
    })
    .map(m -> {
        System.out.println("map 연산  : " + m.toString());
        return m.getMath();
    })
    .limit(2)
    .forEach(System.out::println);

 

정답을 생각해 보면 4학년 학생의 수학점수 100, 50이 출력이 될 것이다. 그리고 중간연산 filter, map의 print문을 한번 살펴보자. 출력 결과는 아래와 같다.

filter 연산 : Score{math=100, grade=GRADE4}
map 연산  : Score{math=100, grade=GRADE4}
100
filter 연산 : Score{math=80, grade=GRADE1}
filter 연산 : Score{math=17, grade=GRADE3}
filter 연산 : Score{math=50, grade=GRADE4}
map 연산  : Score{math=50, grade=GRADE4}
50

 

List<Score>에는 10개의 데이터가 있었지만 모두 실행되지 않았다. 출력 내용을 하나씩 살펴보자.

 

Score(100, GRADE.GRADE4)인 학생은 4학년에 해당되므로 중간연산 filter, map의 출력문이 실행되고, forEach문이 실행되었다.

filter 연산 : Score{math=100, grade=GRADE4}
map 연산  : Score{math=100, grade=GRADE4}
100

 

Score(80, GRADE.GRADE1)인 학생은 1학년이므로, filter의 출력문만 실행되었다.

filter 연산 : Score{math=80, grade=GRADE1}

 

Score(17, GRADE.GRADE3)인 학생은 3학년이므로, filter의 출력문만 실행되었다.

filter 연산 : Score{math=17, grade=GRADE3}

 

Score(50, GRADE.GRADE4)인 학생은 4학년에 해당되므로 중간연산 filter, map의 출력문이 실행되고, forEach문이 실행되었다.

filter 연산 : Score{math=50, grade=GRADE4}
map 연산  : Score{math=50, grade=GRADE4}
50

 

그 이후의 데이터는 limit(2)를 만족하는 결과를 얻었기 때문에 연산이 수행되지 않았다.

 

 

스트림 연산

---

스트림의 연산은 크게 중간 연산과 최종 연산으로 나눈다. 스트림은 왜 연산을 두 가지로 구분하는 것일까?

 

중간 연산

filter나 sorted 같은 중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 다양한 중간연산을 연결하여 질의를 만들 수 있다.(루프 퓨전[loop fusion]이라 한다)

중간 연산의 중요한 특징은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다는 것이다. 즉, 게으름(lazy) 특성을 같는다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.

 

위에서 사용했던 예제 코드를 다시 살펴보자.

scores.stream()
    .filter(g -> {
        System.out.println("filter 연산 : " + g.toString());
        return g.getGrade().equals(GRADE.GRADE4);
    })
    .map(m -> {
        System.out.println("map 연산  : " + m.toString());
        return m.getMath();
    })
    .limit(2)
    .forEach(System.out::println);

스트림의 게으름(layziness) 특성 덕분에 List <score>의 개수는 10개이지만 단말연산 limit(2) 덕분에 처음 2개의 결과가 나올 때까지만 반복이 수행되었다.

중간 연산 filter, map이 서로 다른 연산이지만 한 과정으로 병합되어 수행되었는데, 이를 루프 퓨전(loop fusion)이라 한다.

 

최종 연산

최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다. 보통 최종 연산에 의해 List, Integer, void 등 스트림 이외의 결과가 반환된다. 예제 코드의 파이프라인에서 forEach는 void를 반환하는 최종 연산이다. 

 

 

 

 

 

Post

---

• 자바 람다 표현식 설명부터 사용법까지 완벽 정리 #JAVA #람다

 

References

---

• 모던 자바 인 액션

 

 

---

잘못된 코드나 내용이 있다면 댓글을 남겨주세요. 즉시 수정하도록 하겠습니다! :)