스터디 할래 13. I/O

학습할 것

• 스트림 (Stream) / 버퍼 (Buffer) / 채널 (Channel) 기반의 I/O
• InputStream과 OutputStream
• Byte와 Character 스트림
• 표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)
• 파일 읽고 쓰기

스트림 (Stream) / 버퍼 (Buffer) / 채널 (Channel) 기반의 I/O

• 스트림
  • FIFO(First In First Out)
  • 단방향이기 떄문에 입력 스트림과 출력스트림을 별도로 사용해야 한다.
  • 연속된 데이터의 흐름으로 입출력 진행 시 다른 작업을 할 수 없는 Blocking 상태가 된다.

  • 입출력 대상을 변경하기 편하며 동일한 프로그램 구조를 유지할 수 있다.

  • 데이터를 전송하는 방식에 따라 2가지로 나뉜다.
    • 바이트 스트림
      • 데이터를 Byte 단위(8 bit)로 주고 받는 것을 의미
      • binary 데이터를 입력하는 스트림
      • 이미지, 동영상 등 모든 종류의 데이터들을 송수신할 때 주로 사용
      • InputStream, OutputStream이 바이트 스트림 최고 조상
    • 문자 스트림(Character Stream)
      • 문자 단위로 인코딩 처리하는 스트림
      • 텍스트 파일등을 송수신할 때 사용
• 버퍼
  • 버퍼란 데이터를 임시 저장하는 공간을 의미한다.
  • 스트림에서 입, 출력이 바로 전달되어 I/O의 횟수가 늘어나지만, 버퍼를 사용하면 버퍼가 가득차거나, 개행문자가 나타날 때 한번에 전송하기 떄문에 I/O 횟수가 줄어 성능상 이점이 있다.

  • 어떤 메모리(위치)를 사용하느냐에 따라 Non-Direct와 Direct로 나뉜다.

    구분	Non-Direct	Direct
    메모리 공간 위치	힙 영역	운영체제(OS)
    버퍼가 생성되는 시간	빠름	느림
    버퍼 크기	작음	큼 (큰 데이터 처리에 유리)
    입출력 성능	낮음	높음 (입출력이 빈번할 떄 유리)

• 자바 NIO(New I/O)
  • byte, char, int 등 기본 데이터 타입을 저장할 수 있는 저장소로서, 배열과 마찬가지로 제한된 크기(capacity)에 순서대로 데이터를 지정한다.
  • 버퍼는 데이터를 저장하기 위한 것이지만, 실제로 버퍼가 사용되는 것은 채널을 통해서 데이터를 주고 받을 때 쓰인다.
  • 채널을 통해서 소켓, 파일 등에 데이터를 전송할 때나 읽어올 때 버퍼를 사용하게 됨으로써 가비지량을 최소화 시킬 수 있게 되며, 이는 가비지 콜렉션 회수를 줄임으로써 서버의 전체 처리량을 증가시킨다.
• 채널
  • 데이터가 통과하는 쌍방향 통로로, 채널에서 데이터를 주고 받을 때 사용되는 것이 버퍼
  • 채널에서 소켓과 연결된 SocketChannel, 파일과 연결된 FileChannel, 파이프와 연결된 Pipe.SinkChannel과 Pipe.SourceChannel 등이 존재하며, 서버 소켓과 연결된 ServerScoketChannel도 존재
• IO vs NIO
  • IO 방식으로 각각의 스트림에서 read() 와 write() 가 호출이 되면 데이터가 입력 되고, 데이터가 출력되기전까지, 스레드는 블로킹(멈춤) 상태가 된다.
  • 이렇게 되면 작업이 끝날때까지 기다려야 하며, 그 이전에는 해당 IO 스레드는 사용할 수 없게 되고, 인터럽트도 할 수 없다. 블로킹을 빠져나오려면 스트림을 닫는 방법 밖에 없다.
  • NIO 의 블로킹 상태에서는 Interrupt 를 이용하여 빠져나올 수 있다.

  구분	IO	NIO
  입출력 방식	스트림	채널
  버퍼 방식	Non-Buffer	Buffer
  비동기 방식 지원	X	O
  Blocking/Non-Blocking 방식	Blocking Only	Both
  사용 케이스	연결 클라이언트가 적고, IO 가 큰 경우(대용량)	연결 클라이언트가 많고, IO 처리가 작은 경우(저용량)

  • Blocking
    • 프로그램 제어권에 대한 단어
    • 호출자에서 메서드를 호출했을 때 끝날 때까지 프로그램의 제어권을 호출자에게 반납하지 않는 것을 말한다.
    • 따라서 작업하는 메서드 이외에는 호출하는 쪽의 동작이 멈추고 메서드의 실행이 끝날때까지 기다린다.
    • 하나의 호출마다 하나의 쓰레드가 필요하다.
  • Non-Blocking
    • 호출받는 메서드가 프로그램의 제어권은 바로 반납하고, 호출자 쪽은 호출하는 대로, 메서드는 메서드대로 멀티쓰레드 같은 방식으로 동작
    • 요청을 하는 쓰레드 하나만 있으면 된다.

InputStream과 OutputStream

• InputStream
  • 바이트 기반 입력 스트림의 최상위 추상 클래스
  • 모든 바이트 기반 입력 스트림은 이 클래스를 상속 받아서 만들어 진다.
  • 버퍼, 파일, 네트워크 단에서 입력되는 데이터를 읽어오는 기능을 수행한다.

  메서드	설명
  read()	입력 스트림으로부터 1바이트를 읽어서 바이트를 리턴
  read(byte[] b)	입력 스트림으로부터 읽은 바이트들을 매개값으로 주어진 바이트 배열 b 에 저장하고 실제로 읽은 바이트 수를 리턴
  read(byte[] b, int off, int len)	입력 스트림으로부터 len 개의 바이트만큼 읽고 매개값으로 주어진 바이트 배열 b[off] 부터 len 개까지 저장. 그리고 실제로 읽은 바이트 수인 len 개를 리턴. 만약 len 개를 모두 읽지 못하면 실제로 읽은 바이트 수를 리턴
  close()	사용한 시스템 자원을 반납하고 입력 스트림 닫기

• OutputStream
  • 바이트 기반 출력 스트림의 최상위 추상 클래스
  • 모든 바이트 기반 출력 스트림은 이 클래스를 상속 받아서 만들어 진다.
  • 버퍼, 파일, 네트워크 단으로 데이터를 내보내는 기능을 수행한다.

  메서드	설명
  write(int b)	출력 스트림으로부터 1바이트를 보낸다.(b 의 끝 1바이트
  write(byte[] b)	출력 스트림으로부터 주어진 바이트 배열 b의 모든 바이트를 보낸다.
  write(byte[ ] b, int off, int len)	출력 스트림으로 주어진 바이트 배열 b[off] 부터 len 개까지의 바이트를 보낸다.
  flush()	버퍼에 잔류하는 모든 바이트를 출력한다.
  close()	사용한 시스템 자원을 반납하고 입력 스트림 닫기

Byte와 Character 스트림

• Byte Stream
  • binary 데이터를 입출력하는 스트림
  • 데이터는 1바이트 단위로 처리

  • 이미지, 동영상 등을 송수신 할 때 주로 사용

  • InputStream
    • ObjectInputStream
    • FileInputStream
    • PipedInputStream
    • FileInputStream
      • DataInputStream
      • BufferdInputStream
      • PushbackInputStream
  • OutputStream
    • ObjectOutputStream
    • FileOutputStream
    • PipedOutputStream
    • FilterOutputStream
      • DataOutputStream
      • BUfferedOutputStream
• Character Stream
  • text 데이터를 입출력하는 스트림
  • 데이터는 2바이트 단위로 처리

  • 일반적인 텍스트 및 JSON, HTML 등을 송수신할 때 주로 사용

  • Reader
    • BufferedReader
    • FilterReader
    • PipedReader
    • InputStreamReader
      • FileReader
  • Writer
    • BufferedWriter
    • FilterWriter
    • PipedWriter
    • PrintWriter
    • OutputStreamWriter
      • FileWriter
• 보조 스트림
  • FilterInputStream 과 FilterOutputStream 을 상속받는 클래스들로 기본 스트림과 결합하여 특정 상황에서 보다 편리하게 사용할 수 있다.
  • BufferedInputStream/BufferedOutputStream
    • 버퍼를 사용해 입출력 효율과 편의를 위해 사용
  • BufferedReader/BufferedWriter
    • 라인단위의 입출력이 편리함
  • InputStreamReader/OutputStreamReader
    • 바이트 스트림을 문자 스트림처럼 쓸 수 있도록하며 문자 인코딩 변환을 지원
  • DataInputStream/DataOutputStream
    • 자바 원시자료형 데이터 처리에 적합

표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)

• 표준 입출력 스트림의 종류는 java.lang 패키지의 System 클래스 내부에 static 으로 선언되어 있으며 다음과 같다.

  public final class System {
      public static final InputStream in;
      public static final PrintStream out;
      public static final PrintStream err;
      // ....
  }  
  

  • System.out 은 콘솔 화면에 문자열을 출력하기 위한 용도로 사용되는 출력 스트림이다.
  • System.in 은 키보드의 입력을 받아들이기 위해서 사용되는 입력 스트림이다.
  • System.out 과 System.err
    • 둘다 출력 스트림이다.
    • err 은 버퍼링을 지원하지 않는다.
    • 이것은 err 이 보다 정확하고 빠르게 출력되어야 하기 때문이라고 한다.
    • 버퍼링을 하던 도중 프로그램이 멈추면 버퍼링된 내용은 출력되지 않기 때문이다.

파일 읽고 쓰기

• 텍스트 파일인 경우 문자 스트림 클래스들을 사용하면 되고, 바이너리 파일인 경우 바이트 스트림을 기본적으로 사용한다.

• 입출력 효율을 위해 Buffered 계열의 보조 스트림을 함께 사용하는 것이 좋다.

• 텍스트 파일인 경우

  BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt"));
  BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));
  String s;
  while ((s = br.readLine()) != null) {
      bw.write(s + "\n");
  }
  

• 이진 파일인 경우

  BufferedInputStream is = new BufferedInputStream(new FileInputStream("a.jpg"));
  BufferedOutputStream os = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("b.jpg"));
  byte[] buffer = new byte[16384];
  while (is.read(buffer) != -1) {
      os.write(buffer);
  }
  

직렬화

• 객체를 데이터 스트림으로 만드는 것
• 객체에 저장된 데이터를 스트림에 쓰기위해 연속적인(serial) 데이터로 변환
• 반대로 스트림으로부터 데이터를 읽어서 객체를 만드는 것은 역직렬화(deserialization)이라고 한다.
• 직렬화 시 생성자 및 메소드는 직렬화에 포함되지 않고 필드만 변환된다.
  • static, transient가 붙은 필드는 직렬화되지 않는다.
• Serializable과 Transient
  • 직렬화가 가능한 클래스를 만드는 방법은 Serializable 인터페이스를 구현하는 것

    public class TestInfo implements Serializable { ... }
    

  • Serializable을 구현한 클래스에 상속을 받는 자식 객체는 직렬화 대상이 된다.
  • Serializable을 구현한 클래스에 부모 클래스의 필드는 직렬화 대상애서 제외된다.
  • transient가 붙은 변수는 직렬화 대상에서 제외되며 인스턴스 변수의 값은 그 타입의 기본값으로 직렬화된다.
• ObjectInputStream과 ObjectOutputStream
  • 보조 스트림으로 입출력(직렬화/역직렬화) 스트림을 지정해야 한다.

    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("serializableTest.ser"));
        
    oos.writer(new TestInfo());
    

  • 파일에 객체를 저장(직렬화)하는 예제로 serializableTest에 TestInfo 객체를 직렬화하여 저장한다.

    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("serializableTest.ser"));
        
    TestIno testInfo = (TestInfo)ois.readObject();
    

  • 파일에 저장한 객체를 가져와 읽어(역직렬화)한다.
• 직렬화 가능한 클래스의 버전 관리
  • 직렬화된 객체를 역직렬화할 때에는 직렬화했을 때와 같은 클래스를 사용해야 한다.
  • 클래스 이름이 같아도 클래스의 내용이 변경됐다면 역직렬화는 실패하고 에러가 발생한다.
  • 역직렬화할 때 serialVersionUID란 객체를 비교하여 버전 일치하는지 비교하는 데 작성하지 않으면 자동 생성된다.
  • 임의로 serialVersionUID를 생성하면 직렬화 -> 인스턴스 변수 추가 -> 역직렬화하더라도 에러없이 동작한다.