[Java] I/O Stream

출처

https://blog.naver.com/jwyoon25/221300691133

자바 스트림 API와 I/O

 

Head First Java

ChatGPT

https://www.geeksforgeeks.org/java-io-tutorial/

Java IO Tutorial - GeeksforGeeks

https://introvertreader.medium.com/mastering-java-io-streams-a-comprehensive-guide-part-1-9a6bec3035ac

Mastering Java I/O Streams — Part 1: An Introduction

 

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스트림이란

데이터의 흐름이라는 추상적인 개념. -> 데이터가 어디서 오는지 알 필요 없이 가져다 쓰는 것만 신경쓰면 된다.

데이터를 순차적으로 처리하기 위한 연속적인 데이터의 경로

 

스트림 핵심 개념

1. 데이터의 연속적인 흐름

스트림은 데이터가 연속적으로 흐르는 통로와 같으며, 입력 스트림은 외부 소스로부터 데이터를 프로그램 내로 전달하고, 출력 스트림은 프로그램에서 외부의 목적지로 데이터를 전송한다.

 

🤔 왜 데이터를 스트림으로 전달할까? -> 스트림의 장점

1. 메모리의 효율성

스트림은 데이터를 한 번에 모두 메모리에 로드하지 않고 작은 단위로 데이터를 읽고 쓰는 방식을 사용한다. 예를 들어, 큰 파일을 한 번에 메모리에 올리면 메모리 부족 문제를 유발할 수 있지만, 스트림을 통해 데이터를 작은 단위로 처리하면 이러한 문제를 피할 수 있다.

2. 추상화된 데이터 처리

스트림을 사용하면 데이터의 출처나 목적지에 관계없이 일관된 방식으로 데이터 처리를 할 수 있다. 예를 들어, 파일, 네트워크 소켓, 메로리 등 다야안 데이터 소스와 목적지에서 스트림을 사용해 동일한 방식으로 데이터를 읽고 쓸 수 있다. 이를 통해 개발자가 데이터 전송 방식을 신경 쓰지 않고 데이터를 처리할 수 있도록 추상화해준다.

3. 비동기 처리 가능성

스트림은 비동기적인 데이터 처리에 적합하다. 특히 네트워크와 같은 환경에서느 데이터가 순차적으로 도착할 수 있으므로 스트림을 통해 데이터를 읽고 쓸 때 비동기 방식으로 처리하면 시스템의 응답성과 효율을 높일 수 있다.

2. 단방향성

자바 스트림은 입력 또는 출력의 어느 한 방향으로만 동작한다. 입력 스트림은 읽기 전용이고, 출력 스트림은 쓰기 전용이다.

🤔 왜 스트림을 단방향으로 만들었을까?

단순성과 입출력 작업의 효율적인 처리 때문이다.

 

1. 단순성 Simplicity

• 스트림의 단방향성은 입출력 작업을 단순화한다. 하나의 스트림이 한 방향으로만 데이터를 전송하기 떄문에 코드 작성과 이해가 더 쉬워진다. 입력과 출력을 동시에 처리해야 한다면, 별로의 스트림을 각각 만들어 독립적으로 관리할 수 있다.
• 단방향 스트림은 구현할 때, 입출력의 상태와 버퍼 관리를 단순하게 유지할 수 있기 때문에, 복잡성을 줄이고 오류를 방지할 수 있다.

2. 효율적인 자원 관리 Resource Efficiency

• 스트림을 하나의 방향과 데이터를 순차적으로 처리하기 때문에 버퍼 관리와 데이터 흐름 관리가 효율적이다. 양방향 스트림의 경우 데이터의 읽기와 쓰기를 동시에 관리해야 하므로 버퍼를 여러 개 관리하거나 상태 정환을 처리해야하는 복잡성이 추가된다

3. I/O의 전통적인 특성

• 대부분의 입출력 장치는 전통적으로 단방향으로 데이터를 전송하는 것이 일반적이다. 이를 반영해 전통적인 입출력 작업과 잘 맞도록 설계되었다.
  • 프린터 - 컴퓨터에서 프린터로 데이터가 흐른다.
  • 마이크 - 소리를 컴퓨터로 입력한다.
  • 스피커 - 컴퓨터에서 출력된 오디오 데이터를 소리로 변환한다.

4. 데이터 순차 처리의 용이성

• 스트림은 데이터를  순차적으로 처리하는 데 적합하다. 

5. 멀티스레드 환경에서의 안전성

• 멀티스레드 환경에서 데이터 충돌을 줄일 수 있다. 읽기 스트림과 쓰기 스트림을 독립적으로 사용하면 서로 간섭하지 않기 때문에 스레드 안전성을 더 쉽게 확보할 수 있다.

3. 데이터 소스와 데이터 싱크의 연결

스트림은 데이터를 읽어올 데이터 소스(파일, 메모리, 네트워크 등)와 데이터를 보낼 데이터 싱크(출력 장치, 파일 등)를 연결하는 중간 매개체이다. 이를 통해 데이터를 효율적으로 이동하고 처리할 수 있다.

4. 바이트 스트림 vs 문자 스트림

자바에서는 바이트 스트림(InputStream, OutputStream)과 문제 스트림(Reader, Writer)으로 나눌 수 있다.

바이트 스트림은 이진 데이터를 처리하는 데 사용하고, 문자 스트림은 텍스트 데이터를 처리하는 데 적합하다.

5. 추상화와 필터링

스트림은 데이터의 세부적인 읽기/쓰기 과정을 추상화하여, 프로그래머가 스트림으 통해 데이터 전송을 더 쉽게 처리할 수 있도록 돕는다.

자바에서는 필터 스트림(BuggeredInputStream, BuggerdWiter)을 이용해 데이터를 버퍼링하거나 다른 작업(예 : 압축, 암호화)을 수행하는 데 도움을 준다.

 

스트림의 구분

1. 입력 스트림 Input Stream & 출력 스트림 Output Stream

입력 스트림  Input Stream

• 데이터 소스에서 데이터를 읽는다

출력 스트림  Output Stream

• 데이터를 목적지에 쓴다.

2. 바이트 스트림 Byte Stream & 문자 스트림 character Stream

바이트 스트림 Byte Stream

• 8비트 바이트의 입력 및 출력을 구현한다.
• 바이트 스트림의 입력 스트림은 InputStream, 출력 스트림은 OutputStream 클래스를 이용해 바이트 처리를 한다. 

문자 스트림 Character Stream

• 16비트 유니코드의 입력 및 출력을 구현한다. 
• 문자 스트림은 추상 클래스 Redaer와 Wiriter가 문자 데이터 처리를 한다.

3. 연결 스트림 Connection Stream & 연쇄 스트림 Chain Stream

연결 스트림 Connection Stream

• 실제로 데이터 소스(예: 파일, 네트워크 소켓 등)와 프로그램 사이를 연결해 직접적으로 데이터 전송을 담당한다.
• 이 스트림은 데이터의 물리적 저장소에서 데이터를 읽거나, 그 저장소에 데이터를 쓰는 역할을 한다.
• 자바에서 대표적인 연결 스트림은 FileInputStream, FileOutputStream, SocketInputStream, SocketOutputStream 등이 있다.
• 이 스트리들은 데이터를 바이트 단위로 처리하며, 파일, 네트워크와의 연결을 통해 실제 데이터의 읽기/쓰기를 수행한다.

연쇄 스트림 Chain Stream

• 연쇄 스트림, 또는 필터 스트림이라고도 불리는 이 스트림은 다른 스트림에 연결되어 데이터 처리 기능을 추가로 제공한다.
• 연쇄 스트림은 직접 데이터 소스와 연결되지 않지만, 연결 스트림 위에 기능을 덧붙이는 형태도 작동한다.
• 예를 들어, 버퍼링, 압축, 인코딩 등의 기능을 추가해 성능을 향상시키거나 데이터를 가공할 수 있다.
• 자바에서 BufferedInputStream, BufferedOutputStream, DataInputStream, DataOutputStream, ObjectInputStream, ObjectOutputStream 등이 이에 해당한다. 예를 들어, BufferedInputStream은 FileInputStream에 버퍼링 기능을 추가해 성능을 개선한다.

예시 : 연결 스트림과 연쇄 스트림의 조합

FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("data.txt"); // 연결 스트림
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(fileInputStream); // 연쇄 스트림

 

위의 예시에서 FileInputStream은 실제 파일과 연결된 연결 스트림으로, 파일에서 바이트를 읽는 역할을 한다. BufferdInputStream은 이 FileInputStream에 연결된 연쇄 스트림으로, 데이터를 버퍼링해 더 효율적으로 읽을 수 있도록 도와준다.

 

🤔 왜 연결 스트림과 연쇄 스트림을 나눴을까

객체지향적인 방법으로, 클래스가 하나씩의 기능만 담당하기 위해서이다.

다양한 연결 및 연쇄 스트림을 조합해 유연한 프로그래밍을 할 수 있다.