13주차 과제: I/O

📌 목표

자바의 Input과 Ontput에 대해 학습하세요.

📌 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

📜 시작에 앞서

• 백기선 님의 라이브 스터디(2020년 11월부터 2021년 3월까지) 커리큘럼을 따라 진행한 학습입니다
• 뒤늦게 알게 되어 스터디 참여는 못했지만 남아있는 스터디 깃허브 주소와 유튜브 영상을 참고했습니다

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

스트림

• 데이터가 들어온 순서로 나가는 단방향 통로(queue와 같은 FIFO 구조)
  • 단방향이기 때문에 입력과 출력을 모두 수행하려면 2개의 스트림 생성
• 블로킹 방식(동기적)으로 동작
  • 데이터의 흐름 입출력 진행시 해당 쓰레드는 다른 작업을 할 수 없는 상태가 된다

버퍼

• 임시로 데이터를 담아둘 수 있는 메모리 공간
  • 기존 IO에서는 보조 스트림 BufferedInputStream BufferedOutputStream 사용해 버퍼 제공 가능
  • NIO는 기본적으로 버퍼 사용
• 데이터를 모아서 처리하여 OS레벨의 I/O 시스템 콜 수를 줄이기 때문에 입출력 성능 빨라진다
• NIO에서는 데이터 타입별로 java.nio.Buffer를 상속해 별도의 클래스 제공
• NIO에서는 관련 메서드를 통해 넌다이렉트 버퍼와 다이렉트 버퍼 선택 가능
  • 다이렉트 버퍼 사용시 JVM이 아닌 운영체제가 관리하는 메모리 공간을 사용하여, 운영체지 native I/O 작업 중 중간 버퍼로 버퍼의 내용을 복사하는 것을 방지하여 입출력 성능이 높다

채널

• NIO에서 등장한 IO에 대한 새로운 추상화
• 데이터가 양방향으로 다닐 수 있기 때문에 입력과 출력을 위해 두 통로를 생성할 필요 X
• 버퍼를 통해서만 읽고 쓰기 수행
• 블로킹 방식과 논블로킹 방식 모두 가능

📑 Byte와 Character 스트림

InputStream과 OutputStream

• 바이트 기반 스트림 최상위 클래스

InputStream

출저: 오니님의짱깬뽀: java 스트림의 개념, 종류/파일 입출력/InputStream/OutputStream/Reader/Writer

주요 메서드

OutputStream

출저: 오니님의짱깬뽀: java 스트림의 개념, 종류/파일 입출력/InputStream/OutputStream/Reader/Writer

주요 메서드

• flush()는 버퍼가 있는 경우에만 사용 의미가 있다

Reader와 Wirter

• 문자 기반 최상위 입출력 스트림 클래스
• 자바에서 char형이 2byte기 때문에 2byte로 스트림 처리
• 문자기반 스트림은 여러 종류의 인코딩과 자바에서 사용하는 유니코드(UTF-16)간의 변환을 자동으로 처리
• 주요 메서드는 InputStream/OutputStream 거의 동일하므로 생략

출저: 오니님의짱깬뽀: java 스트림의 개념, 종류/파일 입출력/InputStream/OutputStream/Reader/Writer

출저: 오니님의짱깬뽀: java 스트림의 개념, 종류/파일 입출력/InputStream/OutputStream/Reader/Writer

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

• 콘솔을 통한 데이터 입출력을 위한 스트림
• java.lang.System

public final class System {
    ...
    public final static InputStream in = nullInputStream();
    public final static PrintStream out = nullPrintStream();
    public final static PrintStream err = nullPrintStream();
    ...
}

• 선언부와 달리 in, out의 경우 실제로는 버퍼를 이용하는 BufferedInputStream과 BufferedOutputStream의 인스턴스 사용
• err은 OS에 의해 버퍼링 되지 않고 즉시 출력

✏️ 보조 스트림

보조 스트림

• 스트림과 연결되, 여러 편리한 기능을 제공하는 스트림
  • 보조 스트림 만으로는 입출력 불가, 스트림 생성후 이에 연결
  • 스트림에 여러 보조 스트림 연쇄 연결 가능
• 보조_스트림 변수 = new 보조_스트림(연결_스트림)

//기반 스트림
FileInputStream fis = new FileInputStream("hello.text");

//보조 스트림 생성
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);

보조 스트림은 어떻게 스트렘에 동적으로 새로운 책임을 추가할까?

• 데코레이터 패턴

데코레이터 패턴

• 런타임 동안 객체에 동적으로 새로운 책임을 추가할 수 있게 해준다(탈부착 가능한 책임)
  • 상속은 정적이고 전체 클래스에 적용되기 때문에 실현 불가

출저: w3sdesign

데코레이터 패턴 적용전

• 상속을 통해 서브클래스를 계속 만드는 것이 비효율적이다
• 더 많은 옵션을 추가할 수록 조합에 따른 서브클래스 수의 증가량이 늘어난다

데코레이터 패턴 적용후

코드

public interface MyOutput {
    public void write();
}

public class MyHelloOutput implements MyOutput{
    @Override
    public void write() {
        System.out.println("MyHelloOutput: hello");
    }
}

public abstract class MyOutputDecorator implements MyOutput {

    private MyOutput out;

    public MyOutputDecorator(MyOutput out) {
        this.out = out;
    }

    @Override
    public void write() {
        out.write();
    }
}

public class MyBufferdOutput extends MyOutputDecorator{

    public MyBufferdOutput(MyOutput out) {
        super(out);
    }

    @Override
    public void write() {
        System.out.println("MyBufferdOutput: buffer...");
        super.write();
    }
}

public class MyFilterOutput extends MyOutputDecorator{

    public MyFilterOutput(MyOutput out) {
        super(out);
    }

    @Override
    public void write() {
        System.out.println("MyFilterOutput: filter...");
        super.write();
    }
}

public class DecoratorPattern {
    public static void main(String[] args) {

        new MyHelloOutput().write();
        System.out.println("===========================");
        new MyBufferdOutput(new MyHelloOutput()).write();
        System.out.println("===========================");
        new MyFilterOutput(
                new MyBufferdOutput(
                        new MyHelloOutput())
        ).write();
    }
}
/*
MyHelloOutput: hello
===========================
MyBufferdOutput: buffer...
MyHelloOutput: hello
===========================
MyFilterOutput: filter...
MyBufferdOutput: buffer...
MyHelloOutput: hello
*/

관련 읽을 거리

• 기계인간 Jhon Grib: 데코레이터 패턴 (Decorator Pattern)
• 사바라다는 차곡차곡: Java에서 발견한 디자인패턴_Decorator Pattern

📑 파일 읽고 쓰기

• 포스트에서 NIO를 다루지 않았으므로 IO에서 파일을 읽고 쓰는 방법을 다룬다
• 다루는 파일의 종류에 따라 바이트 기반, 문자 기반의 입출력 적절히 선택
  • 바이트 기반의 FileInputStream/FileOutputStream
  • 문자 기반의 FileReader/FileWriter

• 파일의 공백을 제거해 *.min.* 처럼 해주는 예제
  • 문자 기반 파일을 다룰 것이기 때문에 FileReader/FileWriter 사용
  • 버퍼 이용한 입출력 성능 향상 위해 보조 스트림 BufferedReader/BufferedWriter 사용

package week13;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileReader;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

public class MinMaker {

    public static void main(String[] args) {

        try (BufferedReader bfr = new BufferedReader(new FileReader(args[0]));
            BufferedWriter bfw = new BufferedWriter(new FileWriter(args[1]))){
            
            int data = 0;
            while((data = bfr.read()) != -1){
                if(data != '\t' && data != '\n' && data != ' ' && data != '\r'){
                    bfw.write(data);
                }
            }
        
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

D:\javaBox> java week13.MinMaker week13/MinMaker.java week13/MinMaker.min.java

MinMaker.min.java 파일 생성

packageweek13;importjava.io.BufferedReader;importjava.io.BufferedWriter;importjava.io.FileReader;importjava.io.FileWriter;importjava.io.IOException;publicclassMinMaker{publicstaticvoidmain(String[]args){try(BufferedReaderbfr=newBufferedReader(newFileReader(args[0]));BufferedWriterbfw=newBufferedWriter(newFileWriter(args[1]))){intdata=0;while((data=bfr.read())!=-1){if(data!='\t'&&data!='\n'&&data!=''&&data!='\r'){bfw.write(data);}}}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}}

📑📌📜✏️