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거의 모든 자바 애플리케이션은 컬렉션(Collections)을 만들고 처리하는 과정을 포함한다. 컬렉션으로 데이터를 그룹화하고 처리할 수 있다. 하지만 완벽한 컬렉션 관련 연산을 지원하려면 많이 부족하다.

예를 들어 요리와 관련된 비즈니스 로직을 처리할 때 카테고리로 그룹화한다든가 가장 비싼 요리, 칼로리가 낮은 요리를 찾는 등의 연산이 포함된다. SELECT name FROM dishes WHERE calorie < 400이라는 문장은 칼로리가 낮은 음식을 선택하는 SQL 질의다. SQL 질의는 요리의 속성을 이용해 어떻게 필터링할 것인지는 구현할 필요가 없다. 단지 기대하는 것이 무엇인지 직접 표현할 수 있다. 즉, SQL에서는 질의를 어떻게 구현해야 할지 명시할 필요가 없으며 구현은 자동으로 제공된다. 컬렉션으로 이와 같은 기능을 만들 수 있을까?

또 요소가 많은 컬렉션을 처리할 때는 멀티코어 아키텍처를 활용해 병렬로 컬렉션의 요소를 처리해야 성능을 높일 수 있다. 하지만 병렬 처리 코드를 만드는 것은 복잡하고 어렵다. 병렬 처리를 쉽게 제공할 수 있을까?

위 두 질문의 답은 스트림이다.

4.1 스트림이란?

스트림(Stream)은 자바 8 API에 새로 추가된 기능으로 선언형(데이터를 처리하는 임시 구현 코드 대신 질의로 표현)으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다. 또 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.

자바 8이전의 코드로 저칼로리 요리명을 반환하고, 칼로리를 기준으로 요리를 정렬하는 코드는 아래와 같다.

    // 자바 7
    public static List<String> lowCaloricDishesJava7(List<Dish> menu) {
        // 가비지 변수를 사용(컨테이너 역할만 하는 중간 변수)
        List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();

        for (Dish dish : menu) {
            if (dish.getCalories() < 400) {
                lowCaloricDishes.add(dish);
            }
        }

        // 칼로리 기준 정렬
        Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() {
            @Override
            public int compare(Dish o1, Dish o2) {
                return Integer.compare(o1.getCalories(), o2.getCalories());
            }
        });

        List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>();
        for (Dish dish : lowCaloricDishes) {
            lowCaloricDishesName.add(dish.getName());
        }

        return lowCaloricDishesName;
    }

다음은 자바 8의 스트림을 이용한 코드이다. 자바 8에서는 가비지 변수(lowCaloricDishes)를 사용하지 않고 세부 구현은 라이브러리 내에서 모두 처리한다.

    public static List<String> lowCaloricDishesJava8(List<Dish> menu) {
        return menu.parallelStream()
                .filter(d -> d.getCalories() < 400) // 400칼로리 이하 요리 선택
                .sorted(Comparator.comparing(Dish::getCalories)) // 칼로리로 요리 정렬
                .map(Dish::getName) // 요리명 추출
                .collect(Collectors.toList()); // 요리명을 리스트로 저장
    }

스트림의 새로운 기능이 소프트웨어공학적으로 다음의 다양한 이득을 준다.

  • 선언형으로 코드를 구현할 수 있다. 즉, 루프와 if 조건문 등의 제어 블록을 사용하지 않고 동작의 수행을 지정할 수 있다.
  • 선언형 코드(스트림)와 동작 파라미터를 활용하면 변하는 요구사항에 쉽게 대응할 수 있다. 즉, 기존 코드를 복사 붙여넣기 방식을 사용하지 않고 필터링을 통해 쉽게 구현할 수 있다.
  • 여러 빌딩 블록 연산(filter, sorted, map, collect)을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다.

filter, sorted, map, collect 같은 연산들은 고수준 빌딩 블록으로 이루어져 있어 특정 스레딩 모델에 제한되지 않고 자유롭게(단일, 병렬 모두) 어떤 상황에서든 사용할 수 있다. 스트림 API를 이용하면 데이터 처리 과정을 병렬화하면서 스레드와 락을 걱정할 필요가 없다.

스트림 API의 특징을 세 가지로 요약하면 다음과 같다.

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


4.2 스트림 시작하기

스트림(Stream): 데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소(Sequence of elements)

  • 연속된 요소: 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다. filter, sorted, map처럼 표현 계산식이 주를 이루기 때문에 스트림의 주제는 계산이다.

컬렉션은 자료구조이므로 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장 및 접근 연산이 주를 이룬다. 즉, 컬렉션의 주제는 데이터이다.

  • 소스: 스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다.
  • 데이터 처리 연산: 함수형 프로그래밍 언어의 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을(filter, map, reduce, find, match, sort 등) 통해 데이터를 조작한다. 또 스트림 연산은 순차적 or 병렬로 실행할 수 있다.

스트림의 두 가지 중요 특징.

  • 파이프라이닝(Pipelining): 스트림 연산끼리 연결해 커다란 파이프라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 그 덕분에 게으름(laziness), 쇼트서킷(short-circuiting)같은 최적화가 가능하다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 같다.
  • 내부 반복: 반복자를 이용하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.
// 스트림 파이프라인 연산 예제
List<String> threeHighCaloricDishNames = menu.stream() // 메뉴의 스트림을 얻는다
            .filter(dish -> dish.getCalories() > 300) // 300 칼로리 초과 요리를 필터링
            .map(Dish::getName) // 요리명을 추출
            .limit(3) // 그 중 3개 선착순 제한
            .collect(Collectors.toList()); // 결과를 리스트로 저장

위 파이프라인 연산 예제의 흐름을 다음과 같다.

  1. menu에 stream 메서드를 호출해 스트림을 얻는다. 여기서 데이터 소스는 menu이고 연속된 요소를 스트림에 제공한다.
  2. filter, map, limit, collect로 이어지는 데이터 처리 연산을 적용한다. collect를 제외한 모든 연산은 서로 파이프라인을 형성할 수 있도록 스트림을 반환한다.
  3. collect 연산으로 파이프라인을 처리해서 결과를 반환한다. collect를 호출하기 전까지는 데이터 소스에서 무엇도 선택되지 않으며 출력 결과도 없다. 즉, collect가 호출되기 전까지 메서드 호출이 저장되는 효과가 있다.

각 연산은 다음 작업을 수행한다.

  • filter: 람다를 인수로 받아 스트림에서 특정 요소를 제외시킨다.
  • map: 람다를 이용해서 한 요소를 다른 요소로 변환하거나 정보를 추출한다.
  • limit: 정해진 개수 이상의 요소가 스트림에 저장되지 못하게 스트림 크기를 축소(truncate)한다.
  • collect: 스트림을 다른 형식으로 변환한다.

스트림 라이브러리에서는 필터링, 추출, 축소 기능을 제공하므로 직접 기능을 구현할 필요가 없다. 결과적으로 스트림 API는 파이프라인을 더 최적화할 수 있는 유연성을 제공한다.


4.3 스트림과 컬렉션

컬렉션(Collections)과 스트림(Stream) 모두 연속된 요소 형식의 값을 저장하는 자료구조의 인터페이스를 제공한다. 여기서 연속된(Sequenced)은 순차적으로 값에 접근한다는 것을 의미한다.

데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이다.

  • 컬렉션: 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.
    • 컬렉션은 적극적으로 생성된다(생산자 중심)
  • 스트림: 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조. 즉, 요소를 추가하거나 제거할 수 없다. 스트림은 사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다.
    • 스트림은 생산자(producer)와 소비자(consumer) 관계를 형성한다.
    • 스트림은 게으르게 만들어진 컬렉션과 같다. 요청할 때만 값을 계산하기 때문이다. (소비자 중심)

4.3.1 딱 한 번만 탐색할 수 있다.

스트림도 반복자처럼 한 번만 탐색할 수 있다. 즉, 탐색된 스트림의 요소는 소비된다. 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다. 데이터 소스가 컬렉션이라면 문제가 없지만 입출력 채널이라면 소스를 반복 사용할 수 없어 새로운 스트림을 만들 수 없다.

List<String> title = Arrays.asList("Modern", "Java", "In", "Action");
Stream<String> s = title.stream();
s.forEach(System.out::println); // 각 문자열 출력
s.forEach(System.out::println); // IllegalStateException 발생
  • 스트림은 단 한 번만 소비할 수 있다!!!

4.3.2 외부 반복과 내부 반복

  • 외부 반복(external iteration): 컬렉션 인터페이스를 사용하기 위해 직접 요소를 반복함.
    • 명시적으로 컬렉션 항목을 하나씩 가져와서 처리한다.
// for-each 루프를 이용하는 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>();
for (Dish dish : menu) {
    names.add(dish.getName());
}

// 반복자를 사용하는 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>();
Iterator<String> iterator = menu.iterator();
while (iterator.hasNext()) { // 명시적 반복
    Dish dish = iterator.next();
    names.add(dish.getName());
}
  • 내부 반복(internal iteration): 스트림 라이브러리는 반복을 알아서 처리하고 결과를 어딘가에 저장.
    • 함수에 어떤 작업을 수행할지 지정하면 알아서 처리된다.
List<String> names = menu.stream()
                        .map(Dish::getName)
                        .collect(Collectors.toList());

외부 반복보다 내부 반복이 더 좋은 두 가지 이유가 있다.

  1. 작업을 투명하게 병렬로 처리한다.
  2. 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다.

스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다(병렬성을 포기 or synchronized로 복잡한 처리).

스트림은 내부 반복을 사용하므로 반복 과정을 프로그래머가 신경 쓰지 않아도 된다. 하지만 반복을 숨겨주는 연산 리스트가 미리 정의되어 있어야 하고 자바 8은 이 연산(filter, map 등)을 제공해 준다. 이 연산들은 대부분 람다 표현식을 인수로 받으므로 동작 파라미터화를 활용할 수 있다.


4.4 스트림 연산

스트림 인터페이스의 연산을 크게 두 가지로 구분할 수 있다.

  • 중간 연산(intermediate operation): 연결할 수 있는 스트림 연산(서로 연결되어 파이프라인을 형성)
  • 최종 연산(terminal operation): 스트림을 닫는 연산

4.4.1 중간 연산

  • 중간 연산(intermediate operation): 연결할 수 있는 스트림 연산(서로 연결되어 파이프라인을 형성)

중간 연산

중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 연결해 질의를 만들 수 있다. 중간 연산의 중요한 특징은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지 연산을 수행하지 않는다는 것이다. 즉, 게으르다(lazy).

  • 중간 연산을 합친 다음에 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리

게으른 특성 덕분에 몇 가지 최적화 효과를 얻을 수 있다.

  • limit 연산 그리고 쇼트서킷으로 연산이 최적화 된다.

    • 쇼트서킷(short-circuit): 논리 연산에서 두 피연산자 중 어느 한쪽만 ‘참’이면은 우측 피연산자의 값은 평가하지 않고 바로 결과를 얻는 기법

  • 루프 퓨전(loop fusion): 서로 다른 중간 연산이 한 과정으로 병합

4.4.2 최종 연산

  • 최종 연산(terminal operation): 스트림을 닫는 연산, 스트림 파이프라인에서 스트림 이외의(List, Integer, void 등) 결과를 도출

최종 연산

4.4.3 스트림 이용하기

스트림 이용 과정은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.

  • 질의를 수행할 데이터 소스
  • 스트림 파이프라인을 구성할 중간 연산 연결
  • 스트림 파이프라인을 실행하고 결과를 만들 최종 연산

스트림 파이프라인의 개념은 빌더 패턴과 비슷하다.

  • 빌더 패턴(builder pattern): 호출을 연결해서 설정을 만듦(중간 연산 연결), 그리고 준비된 설정에 build 메서드를 호출(최종 연산)


4.5 Summary

  • 스트림은 소스에서 추출된 연속 요소로 데이터 처리 연산을 지원한다.
  • 스트림은 내부 반복을 지원한다. 내부 반복은 filter, map, sorted 등의 연산으로 반복을 추상화한다.
  • 스트림에는 중간 연산과 최종 연산이 있다. 중간 연산은 스트림을 반환해 파이프라인을 구성할 수 있지만 아무런 결과도 생성할 수 없다. 최종 연산은 스트림 파이프라인을 처리해서 스트림이 아닌 결과를 반환한다.
  • 스트림의 요소는 요청할 때 게으르게(lazy) 계산된다.

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참고

[프로그래밍] 좋은 테스트 코드 작성하기

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References Testing, Oh my! 스프링 캠프 2019: 무엇을 테스트할 것인가? 어떻게 테스트할 것인가? [번역글] UnitTest By Martin Fowler 3월 우아한테크세미나: 우아한 ATDD

[자바] final 키워드 & 불변 객체

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References [10분 테코톡]시카의 Java final과 불변 객체) 불변 객체(Immutable Object) 및 final을 사용해야 하는 이유 - Mangkyu님 블로그

[자바] Java Enum

2 분 소요

References Java Enum 활용기 - 우아한 기술 블로그