자바 8(Stream)

August 17, 2023 6 분 소요

자바 8 주요 기능 3

Stream

스트림은 데이터 소스를 처리하기 위한 장치라고 할 수 있겠다. 스트림을 사용하면 연속된 데이터를 간결하고 쉽게 처리할 수 있으며 병렬 처리도 가능하다. for 문과 같은 반복문을 통해 처리하는 것보다 코드가 훨씬 간결해지고 복잡한 연산도 쉽게 표현할 수 있다.

스트림이 등장함으로써 비로소 여러 데이터 소스를 통일성 있게 다룰 수 있게 되었다. 컬렉션, 배열 등의 데이터 소스를 Stream으로 추상화 하여 모두 동일하게 처리할 수 있다는 뜻이다.

Stream 소개

스트림은 실제 데이터가 담기는 저장소가 아니다. 단순히 입력된 데이터를 처리하여 결과로 출력해내는 도구일 뿐이다.
스트림은 데이터 소스를 직접 변경하지 않는다. 스트림에서 데이터들을 처리하더라도 소스 데이터는 변경되지 않는다.
스트림은 일회용이다. 한 번 사용된 스트림은 재사용 할 수 없다. (Stream 인터페이스는 AutoCloseable 인터페이스를 상속 받기 때문에 사용 즉시 자동으로 스트림이 닫힌다.)

Stream Pipeline

파이프라인은 0개 이상의 중간 연산과 1개의 종료 연산으로 구성된다. 파이프라인은 종료 연산을 호출해야 종료되며, 중간 연산은 종료 연산을 호출하기 전까지는 실행되지 않는다.

스트림 파이프라인 생성
- Collection 인터페이스의 stream() 메서드
- Arrays 클래스의 stream() 메서드
- Stream 인터페이스의 정적 팩터리 메서드(of(), generate(), iterate())
중간 연산(intermediate operation)
- Stream을 리턴한다. 즉, 메서드를 여러 번 연쇄적으로 호출할 수 있다.
- filter(), map(), skip(), sorted(), ...
종료 연산(terminal operation)
- Stream이 아닌 다른 결과를 리턴한다.
- 단 한 번만 호출된다.
- collect(), anyMatch(), max(), min(), ...

기본형 Stream(IntStream, LongStream, DoubleStream)

int, long, double과 같은 기본형 타입을 스트림으로 다루고 싶을 경우 사용
오토 박싱 & 언박싱의 비효율이 제거됨(ex. Stream 대신 IntStream 사용)
Stream 인터페이스에는 없는 숫자와 관련된 유용한 메서드를 제공

Stream API

스트림 파이프라인 생성

Collection 인터페이스의 stream() 메서드

Collection 인터페이스는 default Stream<E> stream() 메서드를 제공한다. 따라서, 자바에서 제공하는 컬렉션 클래스들은 stream() 메서드를 호출해서 간편하게 스트림을 생성할 수 있다.
Arrays 클래스의 stream() 메서드

배열을 다루는 유틸 클래스인 Arrays 클래스에서는 배열을 스트림으로 변환하기 위한 편의 메서드를 제공한다. 이 메서드는 매개변수로 받은 배열을 스트림으로 변환해서 반환한다. 특별히, int[], long[], double[] 타입은 각각 IntStream, LongStream, DoubleStream으로 반환해준다.
Stream 인터페이스의 정적 팩터리 메서드(of(), generate(), iterate())

Stream 인터페이스에는 스트림을 생성할 수 있는 정적 팩터리 메서드를 제공한다.
- public static<T> Stream<T> empty() : 빈 스트림을 생성한다.
- public static<T> Stream<T> of(T... values) : 입력 받은 가변 인수를 스트림으로 변환. 내부적으로 Arrays.stream(values);를 호출한다.
- public static<T> Stream<T> generate(Supplier<? extends T> s) : Supplier가 제공하는 값으로 무한 스트림을 생성한다.
- public static<T> Stream<T> iterate(final T seed, final UnaryOperator<T> f) : seed(초기값)를 이용한 무한 스트림을 생성한다.
  - @param seed 초기값
  - @param f 다음 요소를 계산하기 위한 함수
- public static<T> Stream<T> iterate(T seed, Predicate<? super T> hasNext, UnaryOperator<T> next) : seed(초기값)를 이용한 스트림을 생성한다. for문과 유사하다. ( for (T index = seed; hasNext.test(index); index = next.apply(index)) { ... } )
  - @param seed 초기값
  - @param hasNext 요소에 적용할 조건
  - @param next 다음 요소를 계산하기 위한 함수
스트림 생성 예시

public class StreamTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. Collection
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Set<Integer> set = new HashSet<>();
        Stream<String> listStream = list.stream();
        Stream<Integer> setStream = set.stream();
        
        // 2. Array
        int[] intArr = {1, 2, 3, 4, 5};
        long[] longArr = {1L, 2L, 3L, 4L, 5L};
        double[] doubleArr = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};
        String[] strArr = {"1", "2", "3", "4", "5"};
      
        IntStream intStream = Arrays.stream(intArr);
        LongStream longStream = Arrays.stream(longArr);
        DoubleStream doubleStream = Arrays.stream(doubleArr);
        Stream<String> stringStream = Arrays.stream(strArr);
        
        // 3. Stream 정적 팩터리 메서드
        Stream<Integer> integerStream = Stream.of(1, 3, 5);
      
        int[] intArr = {1, 2, 3, 4, 5};
        Stream<int[]> intArrStream = Stream.of(intArr); // 배열의 요소들이 스트림에 담기는 것이 아니라 배열 자체가 담긴다. 주의!!!

        Stream<Integer> generate = Stream.generate(() -> 1); // 1이 무한히 담긴 무한 스트림
        Stream<Integer> iterated1 = Stream.iterate(10, i -> i + 1); // 10부터 시작하여 1씩 증가하는 수들이 담긴 무한 스트림
        Stream<Integer> iterated2 = Stream.iterate(10, i -> i <= 20, i -> ++i); // 10부터 시작하여 1씩 증가하면서 20까지의 수들이 담긴 스트림
    }
}

중간 연산(intermediate operation)

스트림의 중간 연산은 n번 반복할 수 있다. 즉, 아예 하지 않아도 되고 여러 번 호출할 수도 있다. 스트림의 중간 연산은 무한 스트림을 일정 기준으로 자르거나 내가 원하는 특정한 요소들을 걸러내는 용도 등 다양하게 사용된다. 스트림의 중간 연산은 Stream을 반환하기 때문에 메서드를 연쇄적으로 호출할 수 있어서 코드가 깔끔해진다.
다음은 Stream 인터페이스의 중간 연산 메서드들이다.

Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate) : 조건에 부합하는 요소들만 걸러내주는 필터 메서드
- @param predicate 필터 조건. true를 반환하는 요소들만 스트림에 남는다.
<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper) : 요소들을 다른 요소로 변환하는 메서드. 단순히 값을 바꿔주는 용도로 사용할 수도 있다.
- @param mapper 매핑 로직. 요소들을 다른 요소로 변환하는 로직을 작성한다.
- @return 변환된 요소들이 담긴 스트림을 반환한다.
<R> Stream<R> flatMap(Function<? super T, ? extends Stream<? extends R>> mapper) : Stream 내부의 요소들이 컬렉션, 배열과 같은 데이터 소스라면 그 안쪽 요소들을 전부 담아내는 스트림으로 변환하는 메서드. 즉, 2차원적으로 표현되어 있는 스트림을 1차원으로 평평(flat)하게 해준다.
- @param mapper 매핑 로직. 요소들을 스트림으로 변환해주는 로직을 작성한다.
- @return 모든 요소들이 1차원적으로 담긴 스트림을 반환한다.
Stream<T> distinct() : 중복된 요소들을 제거해주는 메서드. 중복은 Object.equals() 메서드로 판단한다.
Stream<T> sorted() : 정렬 메서드. 요소들을 natural order로 정렬해준다. 정렬 기준은 Comparable 인터페이스에 의한다.
- @throw ClassCastException 해당 요소가 Comparable의 구현체가 아니라면 ClassCastException 예외가 발생한다.
Stream<T> sorted(Comparator<? super T> comparator) : 정렬 메서드. 비교 기준을 매개변수로 직접 넣어줄 수도 있다.
Stream<T> peek(Consumer<? super T> action) : 요소들을 소비하면서 action 로직을 수행하는 메서드. 주로 요소를 관찰하는 데에 사용한다.
- @return peek() 메서드를 호출하기 이전의 원본 스트림을 반환한다.
Stream<T> limit(long maxSize) : 최대 maxSize 개의 요소만 담아낸다. 즉, maxSize 개 이후의 요소들을 전부 제거한다.
Stream<T> skip(long n) : n 개의 요소들을 스킵한다. 즉, n 개까지의 요소들을 전부 제거한다.

종료 연산(terminal operation)

   스트림의 종료 연산은 딱 한 번만 호출할 수 있다. 종료 연산이 호출되기 전에는 중간 연산도 실행되지 않으며(lazy) 종료 연산이 호출되면 스트림이 자동으로 닫혀 다시 사용할 수 없다. 스트림의 종료 연산은 중간 연산으로 연산된 요소들을 모아서 Collection으로 반환하거나, 갯수를 세는 등의 최종 연산을 수행한다.
   종료 연산은 Stream이 아닌 다른 타입을 반환하기 때문에 이후에 연쇄적으로 다른 Stream 메서드들을 호출할 수 없다.
   다음은 Stream 인터페이스의 종료 연산 메서드들이다.

void forEach(Consumer<? super T> action) : 각 요소들에 대해 action 로직을 수행한다. 병렬 스트림인 경우 순서가 보장되지 않는다.
void forEachOrdered(Consumer<? super T> action) : 각 요소들에 대해 action 로직을 수행한다. 병렬 스트림인 경우 순서가 보장된다.
Object[] toArray() : 스트림 요소들을 Object[] 배열에 담아 반환한다.
<A> A[] toArray(IntFunction<A[]> generator) : 스트림 요소들을 매개변수로 지정해준 타입의 배열에 담아 반환한다. (ex. .toArray(String[]::new))
T reduce(T identity, BinaryOperator<T> accumulator) : 각 요소들을 하나씩 돌면서 작업을 수행한다.
- @param identity result 변수의 초기값
- @param accumulator 작업할 로직. 첫번째 매개변수는 result, 두번째 매개변수는 스트림 요소이다.
- @return result
Optional<T> reduce(BinaryOperator<T> accumulator) : 위의 reduce 메서드와 달리 초기값이 없다. 즉, 스트림이 비어있으면 result가 null일 수 있기 때문에 Optional을 반환한다.
reduce 메서드는 다음과 같은 로직으로 구현된다.
```
T result = identity;
for (T element : this stream)
    result = accumulator.apply(result, element);
return result;
```
<R, A> R collect(Collector<? super T, A, R> collector) : 스트림의 요소들을 하나로 수집하는 메서드. 보통 매개변수에 Collectors 클래스의 메서드를 넣어준다.
Optional<T> min(Comparator<? super T> comparator) : 스트림 요소들 중 가장 작은 값을 Optional에 담아 반환한다. 빈 스트림일 경우 빈 Optional이 반환된다. 비교 기준은 매개변수로 받는다.
Optional<T> max(Comparator<? super T> comparator) : 스트림 요소들 중 가장 큰 값을 Optional에 담아 반환한다. 빈 스트림일 경우 빈 Optional이 반환된다. 비교 기준은 매개변수로 받는다.
long count() : 스트림 요소의 갯수를 반환한다.
boolean anyMatch(Predicate<? super T> predicate) : 스트림 요소들 중 조건에 맞는 요소가 단 하나라도 있다면 true, 그렇지 않으면 false를 반환한다.
boolean allMatch(Predicate<? super T> predicate) : 빈 스트림이거나 스트림 요소들 중 모든 요소가 조건에 충족된다면 true, 그렇지 않으면 false를 반환한다.
boolean noneMatch(Predicate<? super T> predicate) : 빈 스트림이거나 스트림 요소들 중 모든 요소가 조건에 충족되지 않는다면 true, 그렇지 않으면 false를 반환한다.
Optional<T> findFirst() : 스트림 요소들 중 첫번째 요소를 반환한다.
Optional<T> findAny() : 스트림 요소들 중 무작위 요소를 반환한다. 주로 병렬 스트림에서 사용한다.

[참고]
백기선, inflearn 강의 ‘더 자바, Java 8’
남궁성의 정석코딩, 유튜브 강의 ‘자바의 정석’

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