🐹 chap4. 스트림 소개

4.1 스트림이란 무엇인가?

• 스트림은 자바 8 API에 새로 추가된 기능이다.
• 스트림을 사용하면 선언형(질의 표현)으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다.
• 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할 수 있다.

List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();
for(Dish dish: menu) { // 누적자로 요소 필터링
		if(dish.getCalories() < 400) {
				lowCaloricDishes.add(dish);
		}
}
Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() { // 익명 클래스로 요리 정렬
		public int compare(Dish dish1, Dish dish2) {
				return Integer.compare(dish1.getCalories(), dish2.getCalories());
		}
});
List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>();
for(Dish dish: lowCaloricDishes) {
		lowCaloricDishesName.add(dish.getName()); // 정렬된 리스트를 처리하면서 요리 이름 선택
}

위 코드에서는 lowCaloricDishes라는 ‘가비지 변수’(컨테이너 역할만 하는 중간 변수)를 사용했다. 자바 8에서 이러한 세부 구현은 라이브러리 내에서 모두 처리한다.

다음은 최신 코드다(자바 8)

import static java.util.Comparator.comparing;
import static java.util.stream.Collectors.toList;
List<String> lowCaloricDishesName = 
						**menu.stream()**
								.filter(d -> d.getCalories() < 400)   // 400칼로리 이하의 요리 선택
								.sorted(comparing(Dish::getCalories)) // 칼로리로 요리 정렬
								.map(Dish::getName) // 요리명 추출
								.collect(toList()); // 모든 요리명을 리스트에 저장

stream()을 parallelStream()으로 바꾸면 이 코드를 멀티코어 아키텍처에서 병렬로 실행할 수 있다.

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

루프와 if 조건문 등의 제어 블록을 사용해서 어떻게 동작을 구현할지 지정할 필요 없이 ‘저칼로리의 요리만 선택하라’ 같은 동작의 수행을 지정할 수 있다.

위처럼 filter, sorted, map, collect 같은 여러 빌딩 블록 연산을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다. 연산을 파이프라인으로 연결해도 여전히 가독성과 명확성이 유지된다. 각 연산의 결과는 다음 연산으로 연결된다.

filter, sorted, map, collect 같은 연산은 고수준 빌딩 블록으로 이루어져 있으므로 특정 스레딩 모델에 제한되지 않고 자유롭게 어떤 상황에서든 사용 가능하다. 결과적으로 데이터 처리 과정을 병렬화하면서 스레드와 락을 걱정할 필요가 없다.

Map<Dish.Type, List<Dish>> dishesByType = 
		menu.stream().collect(groupingBy(Dish::getType));

위 코드는 Map 내부의 형식에 따라 요리를 그룹화한다. 다음과 같은 결과를 포함할 수 있다.

{
		FISH=[prawns,salmon],
		OTHER=[french fries, rice, season fruit, pizza],
		MEAT=[pork, beef, chicken]
}

특징

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

List<Dish> menu = Arrays.asList(
		new Dish("pork", false, 800, Dish.Type.MEAT),
		new Dish("beef", false, 700, Dish.Type.MEAT),
		new Dish("chicken", false, 400, Dish.Type.MEAT),
		new Dish("french fries", true, 530, Dish.Type.OTHER),
		new Dish("rice", true, 350, Dish.Type.OTHER),
		new Dish("season fruit", true, 120, Dish.Type.OTHER),
		new Dish("pizza", true, 550, Dish.Type.OTHER),
		new Dish("prawns", false, 300, Dish.Type.FISH),
		new Dish("salmon", false, 450, Dish.Type.FISH)
);

Dish는 다음과 같이 불변형 클래스다.

public class Dish {
		private final String name;
		private final boolean vegetarian;
		private final int calories;
		private final Type type;

		public Dish(String name, boolean vegetarian, int calories, Type type) {
				this.name = name;
				this.vegetarian = vegetarian;
				this.calories = calories;
				this.type = type;
		}

		public String getName() {
				return name;
		}

		public boolean isVegetarian() {
				return vegetarian;
		}

		public int getCalories() {
				return calories;
		}

		public Type getType() {
				return type;
		}

		@Override
		public String toString() {
				return name;
		}

		public enum Type { MEAT, FISH, OTHER }
}

4.2 스트림 시작하기

스트림 : 데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소

• 연속된 요소
  • 컬렉션과 마찬가지로 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다.
  • 컬렉션은 자료구조이므로 (ArrayList를 사용할지 LiskedList를 사용할지) 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장 및 접근 연산이 주를 이룬다.
  • 스트림은 filter, sorted, map처럼 표현 계산식이 주를 이룬다.
  • 컬렉션의 주제 : 데이터 / 스트림의 주제 : 계산
• 소스
  • 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비
  • 정렬된 컬렉션으로 스트림을 생성하면 정렬이 그대로 유지된다.
• 데이터 처리 연산

  • 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산 지원

    ex) filter, map, reduce, find, match, sort

  • 순차적 또는 병렬적으로 실행할 수 있다.

• 파이프라이닝
  • 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이프 라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 덕분에 최적화 효과를 얻을 수 있다.
  • 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 데이터베이스 질의와 비슷하다.
• 내부 반복
  • 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

import static java.util.stream.Collectors.toList;
List<String> threeHighCaloricDishNames =
		menu.stream()  // 메뉴(요리 리스트)에서 스트림을 얻는다.
				.filter(dish -> dish.getCalories() > 300) // 고칼로리 요리 필터링
				.map(Dish::getName)                       // 요리명 추출
				.limit(3)                                 // 선착순 세 개만 선택
				.collect(toList());                       // 결과를 다른 리스트로 저장
System.out.println(threeHighCaloricDishNames);    // 결과는 [pork, beef, chicken]

데이터 소스는 요리 리스트(메뉴)이다.

• filter
  • 람다를 인수로 받아 특정 요소를 제외시킨다.
  • d → d.getCalories() > 300이라는 람다를 전달해서 300 칼로리 이상의 요리를 선택한다.
• map
  • 람다를 이용해서 한 요소를 다른 요소로 변환하거나 정보를 추출한다.
  • 메서드 참조 Dish::getName (람다 표현식으로는 d → d.getName())을 전달해서 각각의 요리명을 추출한다.
• limit
  • 정해진 개수 이상의 요소가 스트림에 저장되지 못하게 스트림 크기를 축소 truncate한다.
• collect
  • 스트림을 다른 형식으로 변환한다. (ex. 스트림을 리스트로 변환)
  • collect가 다양한 변환 방법을 인수로 받아 스트림에 누적된 요소를 특정 결과로 변환시키는 기능을 수행한다.

4.3 스트림과 컬렉션

컬렉션과 스트림의 차이

• 데이터를 계산하는 때(시간)의 차이

  • 컬렉션 : 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조

    → 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 함

  • 스트림 : 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조(스트림에는 요소를 추가하거나 제거할수 없다)

    → 사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출함

  

4.3.1 딱 한 번만 탐색할 수 있다

반복자와 마찬가지로 스트림도 한 번만 탐색 가능하다.

반복자와 마찬가지로 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다. → 만약 데이터 소스가 I/O 채널이라면 소스를 반복 사용할 수 없으므로 새로운 스트림을 만들 수 없다.

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); 
// -> java.lang.IllegalStateException: 스트림이 이미 소비되었거나 닫힘

스트림은 단 한 번만 소비할 수 있다!

4.3.2 외부 반복과 내부 반복

• 컬렉션 : 외부 반복, 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복해야함(ex. for-each)

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

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

• 스트림 : 내부 반복, 함수에 어떤 작업을 수행할지만 지정하면 모든 것이 알아서 처리됨

    List<String> name = menu.stream()
    												.map(Dish::getName) // map 메서드를 getName 메서드로 파라미터화해서 요리명 추출
    												.collect(toList()); // 파이프라인을 실행한다. 반복자 필요없다. 
  

• 스트림의 이점
  • 내부 반복을 이용해 작업을 투명하게 병렬로 처리하거나 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다.

  • 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다.

    컬렉션은 스스로 관리해야한다.(포기하던지 synchronized로 사용하던지)

• Quiz. 외부 반복 vs 내부 반복

  스트림 동작을 사용해 다음 코드를 리팩토링 해보자.

    List<String> highCaloricDishes = new ArrayList<>();
    Iterator<String> iterator = menu.iterator();
    while(iterator.hasNext()) {
    		Dish dish = iterator.next();
    		if(dish.getCalories() > 300) {
    				highCaloricDishes.add(d.getName());
    		}
    }
  

  • 정답

      List<String> highCaloricDishes =
      						menu.stream()
      								.filter(d -> d.getCalories() > 300)
      								.map(Dish::getName)
      								.collect(toList());
    

4.4 스트림 연산

List<String> names = menu.stream() // 요리 리스트에서 스트림 얻기
												 .filter(dish -> dish.getCalories() > 300) // 중간 연산
												 .map(Dish::getName) // 중간 연산
												 .limit(3)           // 중간 연산
												 .collect(toList()); // 스트림을 리스트로 변환

위 예제에서 연산을 두 그룹으로 구분할 수 있다.

• 중간 연산 : filter, map, limit은 서로 연결되어 파이프라인을 형성
• 최종 연산 : collect로 파이프라인을 실행한 다음 닫기

4.4.1 중간 연산

filter나 sorted 같은 중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 중간 연산의 특징은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다는 것, 즉 게으르다는 것이다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.

List<String> names =
		menu.stream()
				.filter(dish -> {
								System.out.println("filtering:" + dish.getName());
								return dish.getCalories() > 300;
				}) // 필터링한 요리명을 출력한다
				.map(dish -> {
						 System.out.println("mapping:" + dish.getName());
						 return dish.getName();
				}) // 추출한 요리명을 출력한다
        .limit(3)
				.collect(toList());
System.out.println(names);

filtering:pork
mapping:pork
filtering:beef
mapping:beef
filtering:chicken
mapping:chicken
[pork, beef, chicken]

스트림의 게으른(lazy) 특성 때문에 몇 가지 최적화 효과를 얻을 수 있었다.

• 300 칼로리가 넘는 요리는 여러 개지만 오직 처음 3개만 선택되었다.

  → 이는 limit 연산 그리고 쇼트서킷이라 불리는 기법 덕분이다.

• filter와 map은 서로 다른 연산이지만 한 과정으로 병합되었다.

  → 이 기법은 루프 퓨전이라고 한다.

4.4.2 최종 연산

최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다. 보통 최종 연산에 의해 List, Integer, void 등 스트림 이외의 결과가 반환된다.

다음은 void 결과가 반환된다.

menu.stream().forEach(System.out::println);

• Quiz. 중간 연산과 최종 연산

  다음 스트림 파이프라인에서 중간 연산과 최종 연산을 구별하시오.

    long count = menu.stream()
    								 .filter(d -> d.getCalories() > 300)
    								 .distinct()
    								 .limit(3)
    								 .count();
  

  • 정답

    스트림 파이프라인의 마지막 연산 count는 스트림이 아닌 long을 반환한다. 따라서 count는 최종 연산이다. filter, distinct, limit는 스트림을 반환하며 서로 연결할 수 있다. 따라서 이들은 중간 연산이다.

4.4.3 스트림 이용하기

스트림의 이용 과정은 다음과 같다.

• 질의를 수행할 (컬렉션 같은) 데이터 소스
• 스트림 파이프라인을 구성할 중간 연산 연결
• 스트림 파이프라인을 실행하고 결과를 만들 최종 연산

[ 중간 연산 ]

연산	형식	반환 형식	연산의 인수	함수 디스크립터
filter	중간 연산	Stream	Predicate	T → boolean
map	중간 연산	Stream	Function<T, R>	T → R
limit	중간 연산	Stream
sorted	중간 연산	Stream	Comparator	(T, T) → int
distinct	중간 연산	Stream

[ 최종 연산 ]

연산	형식	반환 형식	목적
forEach	최종 연산	void	스트림의 각 요소를 소비하면서 람다를 적용한다.
count	최종 연산	long(generic)	스트림의 요소 개수를 반환한다.
collect	최종 연산		스트림을 리듀스해서 리스트, 맵, 정수 형식의 컬렉션을 만든다.