Jeong Sun Min

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[Ch4] 스트림

스트림이란 무엇인가?

스트림은 컬렉션 데이터의 연산을 멋지게 처리하는 기능이다.

  • loop와 if 조건문 등의 코드를 사용해서 동작을 구현할 필요 없이 SQL 질의처럼 선언형으로 코드를 작성할 수 있다.
  • filter, sorted, map, collect 같은 여러 빌딩 블록 연산을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다.

만약 Dish 타입의 원소들이 담긴 리스트 중에서, 칼로리가 400 이하인 Dish를 칼로리 순으로 정렬 후, 그 Dish의 이름을 반환하는 메서드를 만든다고 생각해보자

고전적인 방법

private static void getLowCaloricDishesName(List<Dish> menu) {
  // 400 kCal 이하인 Dish 추출
  List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>();
  for(Dish dish : menu) {
    if(dish.getCalories() < 400) {
      lowCaloricDishes.add(dish);
    }
  }

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

  // 정렬된 리스트들의 요리이름을 선택
  List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<String>();
  for(Dish dish : lowCaloricDishes) {
    lowCaloricDishesName.add(dish.getName());
  }
  System.out.println(lowCaloricDishesName);
}

스트림 사용하는 방법

private static void getLowCaloricDishesNameLambda(List<Dish> menu) {

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

  System.out.println(lowCaloricDishesName);

}

이렇듯 소스가 훨씬 간결하며 가비지 변수를 사용하지 않아도 된다. 스트림 API의 특징은 다음과 같다.

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

그럼 지금부터 스트림에 대해서 자세히 알아보자

스트림이란 ‘데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소’로 정의할 수 있다.

  • 연속된 요소 : Collection과 마찬가지로 스트림은 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다. Collection은 자료구조로서, 저장 및 접근이 주 목적이라면 스트림은 연산, 계산이 목적이라고 볼 수 있다.
  • 소스 (source) : 스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 source로부터 데이터를 소비한다.
  • 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.
    • 순차적으로 또는 병렬로 이러한 연산을 작업할 수 있다.

스트림은 파이프라인을 구성하고, 내부반복을 사용한다.

  • 파이프라이닝(Pipelining) : 스트림 연산끼리 연쇄적으로 연산하기 위해 스트림 자신을 반환한다. laziness, short-circuiting 같은 최적화를 얻을 수 있다.
  • 내부 반복 : 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

300 칼로리보다 높은 Dish를 3개만 찾아서 그 이름을 List로 반환하는 코드를 스트림 파이프라인을 만들어수 수행해보자.

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

System.out.println(threeHighCaloricDishNames);

데이터 source는 menu이며, 이 menu의 스트림을 가져와서 filter, map, limit, collect 로 이어지는 데이터 처리 연산을 적용했다. collect는 종단연산이므로 이를 제외한 모든 연산은 stream 자신을 반환해서 연쇄 메서드로 작용할 수 있게 된다.

스트림과 컬렉션

스트림이 나오기 전에는 “연속된 요소”를 표현하는 데 Collection을 썼다. 그렇다면 스트림과 컬렉션의 차이는 무엇일까?

데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이다. 컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다. 반면 스트림은 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다. 사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다.

  • 컬렉션 : 요소를 추가하거나 삭제할 수 있다.
  • 스트림 : 요소를 추가하거나 스트림에서 요소를 제거할 수 없다.

위의 차이점은 개념적인 차이점이고, 실제로 아래 두 가지 차이점이 있다.

딱 한 번만 탐색할 수 있다.

탐색된 스트림의 요소는 소비되므로 딱 한번만 탐색할 수 있다. 탐색한 요소를 재탐색 하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야한다. 단, I/O는 제외다 (한 번 소비되면 끝이기 때문)

List<String> title = Arrays.asList("Java8", "In", "Action");
Stream<String> s = title.stream();
s.forEach(System.out::println);
s.forEach(System.out::println); // 여기서 에러난다.

외부 반복과 내부 반복

컬렉션 인터페이스는 사용자가 직접 요소를 반복해야 한다. (for-each) 이를 외부 반복이라 한다. 반면 스트림 라이브러리는 내부 반복을 사용해서 반복을 알아서 처리하고 결과 스트림값을 어딘가에 저장해준다.

내부반복이 좋은 이유는 작업을 병렬로 처리하거나 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다는 것이다. 스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. (특정 상황에서는 이러한 이유 때문에 성능이 더 안좋아지는 경우도 있다.)

스트림 연산

스트림의 연산은 중간연산, 최종연산으로 구분할 수 있다. 즉, 스트림 연산을 연결해서 연산할 수 있다면 중간연산이라 하며, 스트림을 닫아서 뭔가 결과가 나오는 것이 최종연산이다.

화면 캡처 2021-06-29 205938

중간연산

스트림에서 중간연산은 다른 스트림을 반환해서 연쇄적으로 연산을 할 수 있다. 중간 연산의 중요한 특징은 lazy 하다는 것이다. 게으른 연산은 불필요한 연산을 피하기 위해 연산을 지연시키고 최종 연산때 한꺼번에 처리하는 것을 말한다.

Lazy Evaluaction 에 관련 해서는 https://dororongju.tistory.com/137에서 잘 설명해주고 있다.

아래 예제로도 확인해볼 수 있다. 어떻게 동작하는지 출력문을 lambda 객체에 넣어보자

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

List<String> names = menu.stream()
               .filter(dish -> {
                 System.out.println("filtering:" + dish.getName());
                 return dish.getCalories() > 300;
               })
               .map(dish -> {
                 System.out.println("mapping:" + dish.getName());
                 return dish.getName();
               })
               .limit(3)
               .collect(Collectors.toList());
// 출력
// filtering:pork
// mapping:pork
// filtering:season fruit
// filtering:beef
// mapping:beef
// filtering:chicken
// mapping:chicken
// [pork, beef, chicken]

출력 부분을 보면 season fruit은 칼로리가 300을 넘지 못해서 mapping 자체를 안한 것을 볼 수 있다. 또한 limit 연산이 있으므로 3개를 찾자마자 바로 루핑이 끝나는 것을 확인할 수 있다.

최종연산

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

스트림 이용하기

스트림 이용과정은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.

  • 질의를 수행할 (컬랙션 같은) data source
  • 스트림 파이프라인을 구성할 중간 연산 연결
  • 스트림 파이프라인을 실행하고 결과를 만들 최종연산

5장에서 스트림에서 제공하는 연산을 더 자세히 살펴본다.

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