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스트림이란 무엇인가?

스트림stream은 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(단순히 stream()을 paralleStream() 로 변경하면..).

스트림의 새로운 기능은 다음과 같은 다양한 이득을 준다는 사실을 기억하자.

선언형으로 코드를 구현할 수 있다. 즉, 선언형 코드와 동작 파라미터화를 활용하면 변하는 요구사항에 쉽게 대응할 수 있다.
filter, sorted, map, collect 같은 여러 빌등 블록 연산을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다. 여러 연산을 파이프라인으로 연결해도 여전히 가독성과 명확성이 유지된다.

filter, sorted, map, collect 같은 연산은 고수준 빌딩 블록으로 이루어져 있으므로 특정 스레딩 모델에 제한되지 않고 자유롭게 어떤 상황에서든 사용할 수 있다. 결과적으로 우리는 데이터 처리과정을 병렬화하면서 스레드와 락을 걱정할 필요가 없다.

자바 8의 스트림 API의 특징은 다음처럼 요약할 수 있다.

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

스트림 시작하기

간단한 스트림 작업인 컬렉션 스트림부터 살펴보자. 자바 8 컬렉션에는 스트림을 반환하는 stream 메서드가 추가됐다.

스트림이란 무엇일까?

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

연속된 요소 : 컬렉션과 마찬가지로 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다. 컬렉션의 주는 데이터고 스트림의 주제는 계산이다.
소스 : 스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다. 정렬된 컬렉션으로 스트림을 생성하면 정렬이 그대로 유지된다. 즉, 리스트로 스트림을 만들면 스트림의 요소는 리스트의 요소와 같은 순서를 유지한다.
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 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.

또한, 스트림에는 두 가지 중요한 특징이 있다.

파이프라이닝Pipelining : 대부분의 스트림 연산은 스트림 연산끼리 연결해서 커다란 파이브라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다. 그 덕분에 게으름, 쇼트서킷같은 최적화도 얻을 수 있다. 연산 파이프라인은 데이터 소스에 적용하는 질의와 비슷하다.
내부 반복: 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

filter, map, limit, collect는 각각 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(=길이를 줄이다)한다.
collect : 스트림을 다른 형식으로 변환한다. collect는 다양한 변환 방법을 인수로 받아 스트림에 누적된 요소를 특정 결과로 변환시키는 기능을 수행할 수 있다.

자바 8 이전의 방식으로 구현했을 때보다 더 선언형으로 데이터를 처리할 수 있고, 스트림 라이브러리에서 피렅링, 추출, 축소 기능을 제공하므로 직접 이 기능을 구현할 필요가 없었다. 결과적으로 스트림 API는 파이프라인을 더 최적화할 수 있는 유연성을 제공한다.

스트림과 컬렉션

자바의 기초 컬렉션과 새로운 스트림 모두 연속된 요소 형식의 값을 저장하는 자료구조의 인터페이스를 제공한다. 여기서 연속된 이라는 표현은 순서와 상관없이 아무 값에나 접속하는 것이 아닌 순차적ㅇ으로 값에 접근한다는 것을 의미한다.

데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이다.

컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.

반면 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산 하는 고정된 자료구조다. 사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다. 사용자 입장에서는 이러한 변화를 알 수 없다. 결과적으로 스트림은 생산자와 소비자 관계를 형성한다. 또한 스트림은 게으르게 만들어지는 컬렉션과 같다. 즉, 사용자가 데이터를 요청할 때만 값을 계산한다.

반면 컬렉션은 적극적으로 생성된다.

딱 한번만 탐색할 수 있다.

반복자와 마찬가지로 스트림도 딱 한번만 탐색할 수 있다. 즉, 탐색된 스트림의 요소는 소비된다. 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다.

외부 반복과 내부 반복

컬렉션 인터페이스를 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복해야 한다. 이를 외부 반복이라고 한다. 반면 스트림 라이브러리는 알아서 처리하고 결과 스트림값을 어딘가에 저장해주는 내부 반복을 사용한다. 함수에 어떤 작업을 수행할지만 지정하면 모든 것이 알아서 처리된다.

아래의 예는 스트림의 내부 반복의 특징을 보여준다.

List<String> names = menu.stream()
                     .map(Dish::getName)
                     .collect(toList());

컬렉션은 외부적으로 반복, 즉 명시적으로 컬렉션 항목을 하나씩 가져와서 처리한다. 이에 비해 내부반복은 작업을 투명하게 병렬로 처리하거나 더 최적화된 다양한 순서로 처리할 수 있다는 장점이 있다. 기존 자바에서처럼 컬렉션을 외부 반복으로 처리한다면 이와 같은 최적화를 달성하기 어렵다.

하지만 내부 반복뿐 아니라 자바 8에서 스트림을 제공하는 더 다양한 이유가 있다. 스트림 라이브러리의 내부 반복은 데이터 표현과 하드웨어를 활용한 병렬성 구현을 자동으로 선택한다. 반면 for-each를 이용하는 외부 반복에서는 병렬성을 스스로 관리해야 한다. 자바 8에서는 컬렉션 인터페이스와 비슷하면서도 반복자가 없는 무엇이 절실했으며, 결국 스트림이 탄생했다.

스트림은 내부 반복을 사용하므로 반복 과정을 우리가 신경 쓰지 않아도 된다. 하지만 이와 같은 이점을 누리려면 반복을 숨겨주는 연산 리스트가 미리 정의되어 있어야 한다. 반복을 숨겨주는 대부분의 연산은 람다 표현식을 인수로 받으므로 3장에서 배운 동작 파라미터화를 활용할 수 있다.

스트림 연산

Stream 인터페이스는 많은 연산을 정의한다 스트림 인터페이스의 연산을 크게 두 가지로 구분할 수 있다.

연결할 수 있는 스트림 연산을 중간 연산intermediate operation 이라고 하며, 스트림을 닫는 연산을 최종 연산termainal operation 이라고 한다. 왜 스트림의 연산을 두 가지로 구분하는 것일까?

중간 연산

filter나 sorted 같은 중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 연결해서 질의를 만들 수 있다. 중간 연산의 중요한 특징은 단말 연산을 스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다는 것, 즉 게으르다lazy는 것이다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.

스트림의 게으른 특성 덕분에 몇 가지 최적화 효과를 얻을 수 있다. 이는 limit 연산 그리고 쇼트서킷(A&&B에서 A가 거짓이면 거짓, A||B에서 A가 참이면 다음 조건식이 생략되는 현상)이라 불리는 기법 덕분이다. 둘째 filterdhk map은 서로 다른 연산이지만 한과정으로 병합되었다. 이 기법을 루프 퓨전이라고 하는데 여러 루프를 단일 루프로 대체하는 컴파일러 최적화 및 루프 변환이다.

최종 연산

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

스트림 이용하기

스트림 이용 과정은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.

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

스트림 파이프라인의 개념은 빌더 패턴과 비슷하다. 빌더 패턴에서는 호출을 연결해서 설정을 만든다. 그리고 준비된 설정에 build 메서드를 호출한다.

중간 연산에는 filter, map, limit, sorted, distinct가 있고, 최종 연산에는 forEach, count, collect가 있다.