[Java] IO, NIO 차이

출처

https://dev-coco.tistory.com/42

[Java] IO와 NIO의 차이점? / IO와 NIO의 선택

ChatGPT

https://systemdata.tistory.com/26

자바의 IO와 (New)NIO란?

F-Lab 멘토링

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I/O(Input/Output)과 NIO(New Input/Output)은 모두 입력 처리를 위한 API이지만, 설계 철학과 기능 면에서 차이가 있다.

 

1. I/O Input/Output

Java I/O는 전통적인 입출력 방식으로, 자바의 java.io 패키지에서 제공된다. 스트림 기반으로 동작하며, 기본적으로 블로킹 I/O를 사용한다.

특징

블로킹 I/O

입력/출력 작업을 수행할 때, 데이터가 준비되지 않으면 작업이 완료될 때까지 스레드가 블로킹되어 기다린다. 즉, 하나의 스레드가 요청한 작업이 끝날 때까지 다른 작업을 수행할 수 없다.

스트림 기반

데이터를 바이트 또는 문자 단위로 읽고 쓰는 방ㅇ식이다. 입출력 스트림(예 : InputStream, OutputStream)을 사용해 순차적으로 데이터를 처리한다.

• 관련 글 -> [Java] I/O Stream

단방향 통신

입력 스트림과 출력 스트림이 분리되어 있어 각각의 스트림에서 데이터가 한 방향으로만 흐른다.

장점

• 구현이 비교적 간단하고 이해하기 쉽다.
• 소규모 데이터 처리를 위한 적합한 방식

단점

• 블로킹 방식이므로 여러 작업을 동시에 처리하기 위해서는 다중 스레드가 필요하며 리소스가 많이 소모될 수 있다.
• 대규모 처리나 네트워크 작업에 비효율적

언제 사용하는 것이 좋을까

연결 클라이언트 수가 적고 전송되는 데이터가 대용량이면서 순차적으로 처리될 필요성이 있을 경우

IO는 대용량 처리에 효율적이다. 대용량 처리에 IO를 쓴다. IO가 비동기를 지원하지는 않지만 그렇다고 해서 비동기로 못 쓰는 것은 아니다. 

1. 작은 규모의 데이터 처리 또는 간단한 I/O 작업

예시

• 텍스트 파일을 간단히 읽고 쓰는 작업
• 작은 바이너리 파일을 처리하는 작업

이유

• I/O는 구현이 단순하고, 작으 ㄴ데이터에 대해서는 복잡한 최적화가 불필요하다
• 블로킹 방식이기 때문에 스레드 관리가 비교적 단순하고, 직관적인 코드 작성이 가능하다.

 

2. NIO New Input/Output

Java 1.4부터 도입된 개선된 입출력 방식. java.nio 패키지에서 제공된다. 채널(Channel)과 버퍼(Buffer)를 기반으로 하며, 비블로킹 I/O를 지원한다.

특징

비블로킹 I/O

논블로킹 모드를 지원한다. 이 모드에서는 데이터를 읽거나 쓸 때 스레드가 블로킹되지 않고, 데이터를 사용할 수 있을 떄만 처리한다. 이를 통해 동시성이 강화되며, 적응 스레드로 여러 I/O 작업을 처리할 수 있다.

채널과 버퍼

채널(Channel)과 버퍼(Buffer)를 사용한다. 채널은 데이터를 전송하는 양방향 통신 통로이며, 버퍼는 데이터를 저장하고 조작하는 역할을 한다. I/O 작업 시 먼저 데이터를 버퍼에 저장한 후, 채널을 통해 데이터를 주고 받는다.

• 관련 글 -> [Java] I/O Channel
• 관련 글 -> [Java] I/O Buffer

셀렉터 Selector

셀렉터를 통해 비동기 I/O 작업을 관리한다. 하나의 스레드가 여러 채널을 감시하고, 데이터가 준비되었을 떄만 해당 작업을 수행한다. 이를 통해 효율적으로 여러 I/O 작업을 처리할 수 있다.

장점

• 비블로킹 I/O를 통해 효율적인 자원 관리가 가능하며, 대규모 데이터 처리나 네트워크 애플리케이션에서 성능이 우수하다.
• 동시성을 지원하여 단일 스레드로도 여러 I/O 작업을 처리할 수 있음
• 채널을 통핸 양방향 데이터 흐름을 제공햐 입출력을 동시에 처리할 수 있다.

단점

• 구현이 상대적으로 복잡하고 학습 곡선이 있음
• 작은 I/O 작업에는 오히려 불필요하게 복잡할 수 있음

언제 사용하는 것이 좋을까

연결 클라이언트 수가 많고 전송되는 데이터 용량이 적으면서, 입출력 작업 처리가 빨리 끝나는 경우

 NIO는 파일을 쓸 때 IO보다 좋은 점이 거의 없다. 대용량 파일에서 버퍼를 쓴다면 버퍼를 크게 잡아야 한다. 그래서 버퍼를 할당하는 것 자체가 부담스럽다. 그렇게 크게 할당을 반복적으로 계속 해줘야 한다. NIO는 내부적으로 여러 개의 스레드를 두고서 내부적으로 스레드를 관리한다. 이런 것들로 효율적으로 사용 가능하지만, 파일이 크면 스레드는 하나 밖에 쓰지 못한다. NIO가 여러 쓰레드를 쓴다는 효율성이 대용량 파일에서는 떨어진다.

1. 대규모 데이터 처리 또는 고성능이 필요한 상황

예시

• 네트워크 소켓을 이용한 대규모 데이터 전송
• 파일 시스템에서 대용량 파일을 효츌적으로 처리하는 작업
• 대규모 병렬 처리 및 서버 애플리케이션

이유

• 비블로킹 I/O를 통해 네트워크 연결 시 대기 시간이 줄어들고, 여러 클라이언트와의 연결을 통해 효율적으로 관리할 수 있다.
• 파일 채널과 버퍼를 통해 대용량 파일 처리가 효율적이며, 복잡한 입출력 작업에서 자원 낭비가 적다.

• 🤔 왜 파일 체널과 버퍼를 통해 대용량 파일 처리가 효율적이고 복잡한 입출력 작업에서 자원 낭비가 적을까?
  • 버퍼 기반 : 데이터를 작은 단위로 처리하는 것이 아니라, 한 번에 큰 덩어리로 처리할 수 있어 디스크 I/O 호출을 줄인다.
  • 버퍼에 데이터를 모아서 처리하면 메모리 사용량을 줄이고, 디스크 접근 빈도를 줄여 I/O 작업이 더 빠르고 효율적으로 수행된다.

• 다수의 I/O 작업을 동시에 처리하는 애플리케이션에서는 셀렉터를 사용해 적은 스래드로도 높은 동시성을 구현할 수 있다.

2. 멀리스레드 환경에서의 복잡한 스레드 관리

예시

• 네트워크 서버에서 다수의 클라이언트 요청을 처리하는 경우
• 파일 업로드/다운로드 서버

이유

• 다중 스레드 사용을 최소화하면서도 여러 입출력 작업을 동시에 처리할 수 있다.
• 스레드 수가 많아지는 것을 방시해 메모리 사용량과 CPU 오버헤드를 줄일 수 있다.

• 🤔 왜 스레드 수가 많아지만 메모리 사용량이 늘어날까?
  • 스레드마다 독립적인 메모리 공간이 필요하기 때문에, 스레드 수가 늘어나면 그만큼 할당되는 메모리 양도 늘어난다.
  • 수백, 수천 개의 스레드를 사요알 경우 각 스레드가 발당받는 스택 메모리 수가 메모릴 전체를 차지하게 되어 메모리 부족 상황이 발생할 수 있다.
• 🤔 왜 스레드 수가 많아지만 CPU 오버헤드가 생길까
  • 스레드가 많아지만 컨텍스트 스위칭(Context Switching)이 빈번하게 발생한다. 컨텍스트 스위칭은 CPU가 한 스레드에서 다른 스레드로 작업을 전환할 때 발생하는 과정으롤, 이 과정에서 CPU 자원이 소모된다.
  • CPU는 한 번에 여러 스레드를 실행할 수 없기 때문에, 여러 스레드가 도잇에 실행되는 것처럼 보이지만 실제로는 스레드를 빠르게 전환하는 방식으로 동작한다. 이때, 스레드의 상태를 저장하고 다시 로드하는 작업이 필요하며, 이 과정에서 CPU 시간이 낭비된다.
  • 스레드 수가 많아질수록 컨텍스트 스위칭 빈도가 높아져, 실제로 유효한 작업을 처리하는 시간이 줄어든다.

3. 지연 시간이 중요한 네트워크 애플리케이션

예시

• 채팅 애플리케이션
• 실시간 데이터 처리 시스템
• 대규모 웹 소켓 서버

이유

• 지연 시간을 줄이기 위해 다수의 연결을 비동기식으로 처리하여 효율적이다.
• 네트워크 입출력에서 동시 연결을 처리할 때 자원을 더 적게 소모한다.

4. 메모리 효율성 고려

예시

• 네이티브 시스템과 직접 데이터 전송이 필요한 경우 -> 네이티브 시스템과의 효율적인 데이터 전송을 위해, 다이렉트 버퍼를 사용함.
• 파일 시스템과 네트워크 장치 간의 효율적인 데이터 전송

이유

• 다이렉트 버퍼를 통해 추가적인 메모리 복사 과정을 줄이고, I/O 작업의 성능을 높일 수 있다.

• 관련 글 -> [Java] I/O Buffer

 

I/O와 NIO의 주요 차이점

구분	I/O java.io	NIO java.nio
블로킹 여부	블로킹 I/O	블로킹 I/O, 비블로킹 I/O 지원
데이터 처리 방식	스트림 기반	채널과 버퍼 기반
동시성 처리	I/O에서 지원 안 함 -> 다중 스레드를 사용해 처리	NIO에서 지원 셀렉터를 이용해 단일 스레드도 처리 가능
데이터 흐름	단방향 통신	양방향 통신(채널을 통한 입출력)
성능	작은 데이터 처리에 적합	대규모 데이터, 네트워크 애플리케이션에 적합
복잡도	상대적으로 간단	상대적으로 복잡

 

I/O와 NIO 사용

상황	I/O 사용	NIO 사용
작은 규모 데이터 처리	간단한 파일 입출력이나 소규모 데이터 처리	N/A
대규모 데이터 또는 네트워크 작업	N/A	대규모 파일 처리, 네트워크 작업에서 성능 이점
멀티스레드 관리	다중 스레드를 통한 간단한 처리	하나의 스레드로 다수의 입출력 작업 처리
네트워크 지연 시간	N/A	지연 시간이 중요한 네트워크 애플리케이션
메모리 효율성	N/A	다이렉트 버퍼를 통해 메모리 복사 비용 절감