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Java 스트림 정리 2022.04.06

Java 스트림 정리

2022. 4. 6. 15:10

자바 스트림의 종류

스트림에 대한 내용은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

생성하기 : 스트림 인스턴스 생성.
가공하기 : 필터링(filtering) 및 맵핑(mapping) 등 원하는 결과를 만들어가는 중간 작업(intermediate operations).
결과 만들기 : 최종적으로 결과를 만들어내는 작업(terminal operations).

생성하기
- 배열 / 컬렉션 / 빈 스트림
- Stream.builder() / Stream.generate() / Stream.iterate()
- 기본 타입형 / String / 파일 스트림
- 병렬 스트림 / 스트림 연결하기
가공하기
- Filtering
- Mapping
- Sorting
- Iterating
결과 만들기
- Calculating
- Reduction
- Collecting
- Matching
- Iterating

자바 Streams

자바 8에서 추가한 스트림(Streams)은 람다를 활용할 수 있는 기술 중 하나입니다. 자바 8 이전에는 배열 또는 컬렉션 인스턴스를 다루는 방법은 for 또는 foreach 문을 돌면서 요소 하나씩을 꺼내서 다루는 방법이었습니다. 간단한 경우라면 상관없지만 로직이 복잡해질수록 코드의 양이 많아져 여러 로직이 섞이게 되고, 메소드를 나눌 경우 루프를 여러 번 도는 경우가 발생합니다.

스트림은 '데이터의 흐름’입니다. 배열 또는 컬렉션 인스턴스에 함수 여러 개를 조합해서 원하는 결과를 필터링하고 가공된 결과를 얻을 수 있습니다. 또한 람다를 이용해서 코드의 양을 줄이고 간결하게 표현할 수 있습니다. 즉, 배열과 컬렉션을 함수형으로 처리할 수 있습니다.

또 하나의 장점은 간단하게 병렬처리(multi-threading)가 가능하다는 점입니다. 하나의 작업을 둘 이상의 작업으로 잘게 나눠서 동시에 진행하는 것을 병렬 처리(parallel processing)라고 합니다. 즉 쓰레드를 이용해 많은 요소들을 빠르게 처리할 수 있습니다.

자바 스트림 사용에서 주의할 점

지금까지 스트림을 생성하는 방법과 필요에 맞게 가공하는 중간 연산(Intermediate Operations) 그리고 원하는 결과를 구하는 단말 연산(Terminal Operations)에 대해서 알아보았고 스트림을 활용하는 여러 가지 예제도 살펴보았습니다.

이전보다 더 간결한 코드를 얻게 되었고 비교적 최신 기술을 적용했기 때문에 스트림 API를 활용하는 것이 더 좋아 보일 수 있습니다. 하지만 경우에 따라서 다를 수 있고 오히려 성능이 더 좋지 않을 수 있습니다.

이번 포스팅에서는 스트림 API를 사용할 때 주의할 부분과 적용할 때 고민해보면 좋을 포인트를 정리해봅시다.

스트림 재사용

흔하게 접할 수 있는 실수 하나는 스트림을 재사용하는 것입니다. 스트림을 컬렉션처럼 사용했다가 적지않게 겪은 것 같습니다.

// 문자열 스트림 생성
Stream<String> langNames = Stream.of("Java", "C++", "Python", "Ruby");

// 스트림 내 모든 요소 출력
langNames.forEach(System.out::println);

// "Java" 만 제외한 스트림을 다시 생성... Exception이 발생한다.
Stream<String> filtered = langNames.filter(lang -> !lang.equals("Java"));
filtered.forEach(System.out::println);

위 코드를 실행하면 IllegalStateException이 발생합니다.

java.lang.IllegalStateException: stream has already been operated upon or closed

스트림은 오직 한 번만 소비될 수 있기 때문에 사용한 이후에 다시 사용하는 경우 에러를 발생시킬 수 있습니다.

스트림은 무조건 좋다?

기존의 배열이나 컬렉션을 반복하는 for-loop 문장을 스트림의 foreach로 변경하는 경우도 많습니다. 하지만 성능을 비교해보면 무조건적으로 스트림이라고 성능적으로 빠른 것은 아닙니다.

10만개의 랜덤값이 들어있는 배열에서 가장 큰 값을 찾는 코드가 있습니다. 첫 번째는 기본 for-loop를 이용하여 찾고 두 번째 방법으로 Stream을 이용해서, 마지막으로 병렬 수행이 가능한 Parallel Stream으로 수행했을 때의 수행 속도 차이를 비교해봅시다.

// new Random().nextInt로 초기화된 배열로 가정
int[] intArray;

// Case 1: for-loop
int maxValue1 = Integer.MIN_VALUE;
for (int i = 0; i < intArray.length; i++) {
    if (intArray[i] > maxValue) {
        maxValue1 = intArray[i];
    }
}

// Case 2: Stream
int maxValue2 = Arrays.stream(intArray)
    .reduce(Integer.MIN_VALUE, Math::max);

// Case 3: Parallel Stream
int maxValue3 = Arrays.stream(intArray).parallel()
    .reduce(Integer.MIN_VALUE, Math::max);

측정 시간은 각 Case에 수행 전과 후에 System.nanoTime()로 측정했으며, TimeUnit 클래스를 사용하여 밀리초 단위로 변환했습니다.

// nanoseconds to milliseconds
TimeUnit.MILLISECONDS.convert((endTime - startTime), TimeUnit.NANOSECONDS)

출력 결과는 어떻게 나올까요? 기본 for-loop를 사용했을 때 가장 빠릅니다.

for-loop: 8ms
Stream: 123ms
Parallel Stream: 15ms

관련 참고자료를 인용하면, 단순 for-loop의 경우 오버헤드가 없는 단순한 인덱스 기반 메모리 접근이기 때문에 Stream을 사용했을 때보다 더 빠르다고 합니다. (“It is an index-based memory access with no overhead whatsoever.”)

또, 컴파일러의 관점에서 오랫동안 유지해온 for-loop의 경우 최적화를 할 수 있으나 반대로 비교적 최근에 도입된 스트림의 경우 for-loop와 같은 정교한 최적화를 수행하지 않습니다.

가독성

소제목은 ‘가독성(readability)’ 이지만 스트림을 사용하면서 주의해야 한다기보다는 조금 고민해볼만한 부분이라고 할 수 있습니다. 특히 다른 사람들과 같이 개발을 진행할 때 말이지요. 코드 리뷰를 하다보면 “코드가 라인 수가 줄어들었고 가독성이 좋아졌다.” 라고 하지만 이는 어떻게 보면 팀원 모두가 스트림 API 사용에 익숙해야 하는 조건이 필요합니다.

개인적으로도 Java 8 버전 이상의 코드 스타일이 익숙하지 않아서 리뷰에 어려움이 있었던 적이…

문자열이 들어있는 배열에서 특정 문자열을 찾고 출력하는 코드는 아래와 같이 두 가지 방법으로 작성할 수 있습니다.

// array
String[] languages = {"Java", "C", "Python", "Ruby", "C++", "Kotlin"};
        
// for-loop
String result = "";
for (String language : languages) {
    if (language.equals("Java")) {
        result = language;
        break;
    }
}
if(result != null && result != "") {
    System.out.println(result);
}

// Stream
Arrays.stream(languages)
        .filter(lang -> lang.equals("Java"))
        .findFirst().ifPresent(System.out::println);

자바8의 스트림을 이용하여 여러 if 조건문과 결과를 담는 부수적인 변수 할당도 사라졌습니다. 짧고 간결한 코드가 되는 것에는 전적으로 공감할 수 있습니다. 메서드의 네이밍도 명확하기 때문에 이해하기도 쉽습니다. 물론 이부분은 앞서 말한 것처럼 스트림 API에 익숙해야하며 개인차이가 있을 수도 있습니다.

무한 스트림

기존에 생성된 배열이나 컬렉션을 통해서 스트림을 생성하는 경우에는 이슈가 없을 수 있으나, 특정 조건에 따라서 스트림을 생성하는 경우에는 무한 스트림(Infinite Streams)이 생성될 수 있습니다. 심지어 요소 개수에 제한을 걸었음에도 불구하고요.

Stream.iterate(0, i -> (i + 1) % 2)
        .distinct()
        .limit(10)
        .forEach(System.out::println);
System.out.println("코드 실행 종료");

위 코드의 각 라인을 설명하면 아래와 같습니다.

iterate: 2로 나머지 연산을 했으므로 0과 1을 반복적으로 생성합니다.
distinct: 각각 단일 0과 1을 유지합니다.
limit: 10개의 스트림 크기 제한이 생깁니다.
forEach: 생성된 스트림 요소를 모두 출력합니다.

위 코드에서 distinct 연산자는 스트림을 생성하는 iterate 메서드에서 0과 1만 생성된다는 것을 알지 못합니다. 따라서 요소의 개수를 10개로 제한하는 limit 연산에 도달할 수 없습니다.

그러므로 이어지는 forEach를 이용한 요소 출력도 진행되지 않으며, 모든 코드가 종료된 것을 출력하는 문장도 수행되지 않습니다. 코드는 종료되지 않고 계속 리소스를 차지하게 됩니다.

변수 접근

스트림을 이용하면서 람다(lambda) 또는 메서드 참조(method references)를 사용하는 경우에는 지역 변수(local variables)에 접근할 수 없습니다.

int sumForLambda = 0;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    // it works!
    sumForLambda += i;
}

int sumForloop = 0;
IntStream.range(0, 5).forEach(i -> {
    // compile error
    sumForloop += i;
});

그리고 스트림의 파이프라인에서 연결된 각 단계의 값들에 접근할 수 없습니다. peek 메서드로 연산 사이의 결과를 확인하고 싶지만 불가능합니다.

Arrays.stream(array)
        .filter(first -> first % 2 == 0)
        .filter(second -> second > 3)
        .peek(value -> {
            // compile error, can't access second filter's variable
            int printValue = value + second;
            System.out.println(printValue);
        })
        .sum();

참고로 peek 메서드의 경우 스트림의 결과를 구하는 단말 연산(Terminal Operations)이 실행되지 않으면 메서드 자체가 실행되지 않습니다. 위의 예제에서는 sum 메서드가 단말 연산으로 실행되었습니다.

스트림의 동작 순서

스트림을 사용할 때는 동작 방식을 이해할 필요가 있습니다. 아래와 같이 3개의 요소를 가진 배열로 스트림 연산을 수행하는 코드가 있습니다. 그리고 연결된 각 메서드마다 출력문으로 메서드가 실행되었는지 확인합니다.

Arrays.stream(new String[]{"c", "python", "java"})
        .filter(word -> {
            System.out.println("Call filter method: " + word);
            return word.length() > 3;
        })
        .map(word -> {
            System.out.println("Call map method: " + word);
            return word.substring(0, 3);
        }).findFirst();

결과는 어떻게 나올까요? 3개의 요소에 대해서 메서드를 수행하므로 각각 3번의 호출이 이뤄질 것 같지만, 출력 결과는 그렇지 않습니다.

Call filter method: c
Call filter method: python
Call map method: python

위 결과를 통해서 스트림의 동작 방식을 유추할 수 있는데요. 스트림 내의 모든 요소가 중간 연산인 filter 메서드를 수행하는 것이 아니라 요소 하나씩 모든 파이프라인을 수행합니다.

따라서 조금 더 자세히 살펴보면 아래와 같이 단계적으로 수행됩니다.

배열의 첫 번째 요소 “c”
- filter 메서드가 실행되지만 length가 3보다 크지 않으므로 다음으로 진행되지는 않음
- “Call filter method: c” 출력
배열의 두 번째 요소 “python”
- filter 메서드가 실행되며 length가 3보다 크므로 다음으로 진행됨
- “Call filter method: python” 출력
- map 메서드에서 substring 메서드를 수행합니다.
- “Call map method: python” 출력
- 마지막 연산인 findFirst가 수행됩니다.
조건에 맞는 하나의 결과를 찾았기 때문에 다음 요소인 “java”에 대해 연산을 수행하지 않습니다.
- 최종 결과는 “pyth” 입니다.

성능 개선

이러한 특성을 잘 이용하면 스트림의 성능을 조금 더 개선할 수 있습니다. 아래와 같이 배열의 모든 문자열 요소를 대문자로 변환하는 코드가 있습니다. 그리고 수행된 결과에서 2개를 생략하여 리스트로 만듭니다.

Arrays.stream(new String[]{"c", "python", "java"})
        .map(word -> {
            System.out.println("Call map method: " + word);
            return word.toUpperCase();
        })
        .skip(2)
        .collect(Collectors.toList());

// Call map method: c
// Call map method: python
// Call map method: java

map 메서드가 총 3번 호출되는 것을 알 수 있습니다. 여기서 메서드의 실행 순서를 변경하면 어떻게 될까요?

Arrays.stream(new String[]{"c", "python", "java"})
        .skip(2)
        .map(word -> {
            System.out.println("Call map method: " + word);
            return word.toUpperCase();
        })
        .collect(Collectors.toList());

// Call map method: java

물론 filter 메서드와 같은 특정 조건을 추가해서 사용할 때는 skip 메서드의 위치에 따라서 결과가 달라질 수 있으므로 주의해야 합니다.

List<String> list = Arrays.stream(new String[]{"abc", "abcd", "abcde", "abcdef"})
        .filter(word -> word.length() > 3)
        .map(word -> word.toUpperCase())
        .skip(2)
        .collect(Collectors.toList());
        
// ABCDEF 
list.forEach(System.out::println);

List<String> list2 = Arrays.stream(new String[]{"abc", "abcd", "abcde", "abcdef"})
        .skip(2)
        .filter(word -> word.length() > 3)
        .map(word -> word.toUpperCase())
        .collect(Collectors.toList());
        
// ABCDE
// ABCDEF 
list2.forEach(System.out::println);

참고

https://futurecreator.github.io/2018/08/26/java-8-streams/

Java 스트림 Stream (1) 총정리

이번 포스트에서는 Java 8의 스트림(Stream)을 살펴봅니다. 총 두 개의 포스트로, 기본적인 내용을 총정리하는 이번 포스트와 좀 더 고급 내용을 다루는 다음 포스트로 나뉘어져 있습니다. Java 스트

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