[Java] 스트림, 스트림의 연산, Optional

스트림 Stream

스트림이란?

: 배열, 컬렉션, 파일 등 인스턴스의 저장 요소를 쉽게 참조하게 해 주는 반복자. (출처)

데이터 소스를 추상화하고, 데이터를 다루는 데 자주 사용되는 메서드들을 정의해 놓음.

• '데이터 소스의 추상화'의 의미?

  : 데이터 소스(배열/컬렉션/파일 ..)가 무엇이던 간에 동일한 방식으로 다룰 수 있다.

  : 코드의 재사용성이 높아진다.

// String[] 과 List<String>이라는 두 데이터소스
String[] strArr = {"aaa", "bbb", "ccc"};
List<String> strList = Arrays.asList(strArr);

// Stream 생성
Stream<String> strStream1 = Arrays.stream(strArr);
Stream<String> strStream2 = strList.stream();

// Stream으로 데이터를 읽고 정렬하여 화면에 출력 (*데이터 소스가 정렬되는 것은 아니다)
strStream1.sorted().forEach(System.out::println);
strStream2.sorted().forEach(System.out::println);

// Stream없이 데이터를 읽고 정렬하여 화면에 출력하려면 아래와 같이 해야 한다 (*데이터 소스가 정렬된다)
Arrays.sort(strArr);
Collections.sort(strList);
for(String str : strArr)
    System.out.println(str);
for(String str : strList)
    System.out.println(str);

*System.out::println은 System.out.println()의 메서드 참조임. 람다식으로는 (str) -> System.out.println(Str)

스트림의 특장점

• 스트림을 사용한 코드가 더 간결하고 이해하기 쉽다.

• 스트림을 사용한 코드가 재사용성이 더 높다. (<-데이터 소스의 추상화)

• 스트림은 데이터 소스를 변경하지 않는다.

  • 스트림은 데이터 소스로부터 데이터를 읽기만 할 뿐, 데이터 소스를 직접 변경하지 않는다.

• 스트림은 일회용이다.

  • Iterator처럼 일회용이므로, 한번 사용하면 닫히고 다시 사용할 수 없다.

• 스트림은 작업을 내부 반복으로 처리한다.

  • 내부 반복 : 반복문을 메서드의 내부에 숨길 수 있다는 의미.

  • forEach()
    : 스트림 메서드의 하나. 매개변수에 대입된 람다식을 데이터소스의 모든 요소에 적용한다.

    메서드 안으로 for문을 넣은 것과 같다. 수행할 작업은 매개변수로 받는다.

• 스트림이 제공하는 다양한 연산을 통해 복잡한 작업을 간단히 처리할 수 있다.
  (아래 '스트림의 연산' 참고)

• 요소의 타입이 T인 스트림은 기본적으로 Stream<T>이지만,
  오토박싱 및 언박싱으로 인한 비효율을 줄이기 위해 데이터소스의 요소를 기본형으로 다루는 IntStream, LongStream, DoubleStream 스트림이 제공된다.

  • 일반적으로 Stream<Integer>보다 IntStream을 사용하는 것이 더 효과적이다.
  • 각 기본타입 값으로 작업할 때 유용한 메서드를 제공한다.

• 스트림으로 데이터를 다루면 병렬 처리가 쉬워진다. (병렬 스트림)

  • 스트림은 작업을 병렬처리하는 fork&join 프레임워크를 내부적으로 사용해 자동으로 연산을 병렬 처리한다.
  • parallel() : 스트림의 속성을 병렬 스트림으로 변경함 (병렬로 연산을 수행하도록 함)
  • sequential() : parallel()로 설정된 병렬 스트림을 더 이상 병렬처리되지 않게 함
    (모든 스트림의 기본값)

스트림 만들기

가장 먼저 스트림을 생성해야 스트림을 통해 작업할 수 있다.

스트림의 데이터소스

: 배열, 컬렉션, 임의의 수 등 다양하다.

• 컬렉션

  : 컬렉션의 조상인 Collection에 stream()이 정의되어 있다.

  Collection의 자손 List 또는 Set를 구현한 컬렉션 클래스들은 모두 stream()으로 스트림을 생성할 수 있다.

  • stream() : 해당 컬렉션을 소스source로 하는 스트림을 반환한다

    List<Integer> list = ArrayList.asList(1,2,3);
    Stream<Integer> intStream = list.stream(); // list를 소스로 하는 컬렉션 생성

• 배열
  : 배열을 소스로 스트림을 만드는 메서드는 Stream과 Arrays에 static메서드로 정의되어 있다.

  • Stream.of(T ... values) ,Stream.of(T[])

    또는 Arrays.stream(T[]), Arrays.stream(T[] array, int startInclusive, int endExclusive)

    Stream<String> strStream = Stream.of(new String[] {"a", "b", "c"});
    Stream<String> strStream = Arrays.stream(new String[] {"a", "b", "c"});

  • IntStream.of(), LongStream.of(), DoubleStream.of()

    또는 Arrays.stream(int[]), Arrays.stream(long[]), Arrays.stream(double[])

    : 기본형(Integer, Long, Double) 배열을 소스로 하는 스트림을 생성하는 메서드

• 특정 범위의 정수

  : 지정된 범위의 연속된 정수를 스트림으로 생성해 반환

  • Intstream IntStream.range(int begin, int end) (end를 범위에 포함하지 않음)
    IntStream IntStream.rangeClosed(int begin, int end) (end를 범위에 포함)

• 임의의 수

  : 난수를 생성하는 Random클래스에 선언된 메서드들. 해당 타입의 난수로 이루어진 스트림을 반환

  • IntStream ints(), LongStream longs(), DoubleStream doubles() (무한 스트림 - 크기가 정해지지 않음)
  • limit(int limit) : 무한 스트림을 유한 스트림으로 만들고, 크기를 limit로 제한하는 메서드

• 람다식

  : 람다식을 매개변수로 받아 람다식에 의해 계산되는 값들을 요소로 하는 무한 스트림 생성

  • static <T> Stream<T> iterate(T seed, UnaryOperator<T> f)

    : seed부터 시작, 람다식 f에 의해 계산된 결과를 다시 seed값으로 하여 반복 계산

  • static <T> Stream<T> generate(Supplier<T> s)

    : iterate()와 비슷하나 이전 결과를 이용해 다음 요소를 계산하지 않음.

• 파일

  : java.nio.file.Files 에 list()로 정의됨.

  • Stream<Path> Files.list(Path dir) : 지정된 디렉토리에 있는 파일의 목록을 소스로 하는 스트림을 생성해 반환.
  • Stream<String> Files.lines(Path path) : 파일의 한 행(line)을 요소로 하는 스트림 생성

  BufferedReader클래스에 속한 메서드 중에도 스트림을 생성하는 메서드가 있다.

  • Stream<String> lines() : 파일 외에 다른 대상으로부터도 데이터를 행 단위로 읽을 수 있다

• 빈 스트림

  : 요소가 하나도 없는 빈 스트림을 생성.

  스트림의 연산 결과가 하나도 없을 때, null 대신 빈 스트림을 반환한다

  • Stream.empty() : 빈 스트림을 생성해 반환함

• 두 스트림 연결

  : 같은 타입의 요소를 가진 두 스트림을 하나로 연결한다

  • concat(Stream<T> str1, Stream<T> str2) : 스트림 str1, str2를 하나로 연결함

스트림의 연산

연산 operation : 스트림에 정의된 메소드 중 데이터 소스를 다루는 작업을 수행하는 것.

• 스트림의 연산에는 중간 연산과 최종 연산이 있다.

  • 중간 연산 : 연산 결과를 스트림으로 반환함. 중간 연산을 연속해서 연결할 수 있음.
  • 최종 연산 : 연산 결과가 스트림이 아닌 연산. 스트림의 요소를 소모하면서 연산을 수행하며 마지막에 한 번만 연산이 가능함.

• 스트림 연산에서는 최종 연산이 수행되기 전에는 중간 연산이 수행되지 않는다.

  중간연산을 호출할 때는 연산이 수행되지 않는다. 어떤 작업을 수행할지 지정한 것 뿐이다.

  최종연산을 호출할 때 연산이 수행되며 스트림의 각 요소들이 중간 요소를 거쳐 최종 연산에서 소모된다.

스트림의 중간연산

• 스트림 자르기

  : 스트림의 일부를 잘라낼 때 사용

  • skip(long n) : 스트림의 처음 n개 요소를 건너뛴다.
  • limit(long maxSize) : 스트림의 요소를 maxSize개로 제한한다.

• 스트림의 요소 걸러내기

  • distinct() : 스트림에서 중복된 요소들을 제거한다.

  • filter(Predicate<? super T> predicate) : 주어진 조건 predicate에 맞지 않는 요소를 걸러낸다.

    (predicate에는 연산결과가 boolean인 람다식을 사용할 수 있다)

    다른 조건으로 여러 번 사용할 수 있다.

• 스트림 정렬하기

  • sorted() : 스트림을 기본 정렬(사전순) 로 정렬한다.
  • Comparator 인터페이스의 메서드들을 활용하면 정렬이 쉬워진다. comparing() 등.

• 변환

  : 스트림 요소에 저장된 값 중에서 원하는 필드만 뽑거나 특정 형태로 변환함.

  • map() / mapToInt(), mapToLong(), mapToDouble() / flapMap()

• 조회

  : peek() - 연산 사이에서 처리 결과를 확인.

  • 주로 peek(a -> System.out.println(a)) 와 같이 사용

스트림의 최종연산

최종연산은 스트림의 요소를 소모해서 결과를 만든다.

최종연산 후에는 스트림이 닫히며 그 스트림은 더 이상 사용할 수 없다.

최종연산의 결과는 단일 값 / 배열, 컬렉션일 수 있다.

• void forEach(action) : 스트림의 요소를 소모하는 최종연산.

  • forEach(System.out::println)과 같이 스트림 요소를 출력할 때 많이 사용됨.

• 조건 검사

  : 스트림의 요소에 대해, 조건과 요소를 비교할 때 사용하는 메서드들.

  모두 매개변수로 Predicate(조건)를 요구하며, 연산 결과로 boolean을 반환함

  • boolean allMatch(predicate) : 조건에 모든 요소가 일치하는지
  • boolean anyMatch(predicate) : 조건에 일부 요소가 일치하는지
  • boolean noneMatch(predicate) : 조건에 어떤 요소도 일치하지 않는지
  • Optional<T> findFirst() : 조건에 맞는 첫 번째 요소를 반환. 주로 filter()와 함께 사용
  • Optional<T> findAny(): 병렬 스트림일 때 사용.조건에 맞는 첫 번째 요소를 반환. 주로 filter()와 함께 사용

• 통계

  : 스트림의 요소들에 대한 통계정보를 얻을 수 있는 메서드들.

  기본형 스트림(IntStream 등)에서 더 많은 메서드를 제공하므로 변환해서 사용하거나, reduce()/collect()를 사용하는 것이 좋다.

  • count(), sum(), average(), max(), min()

• 리듀싱 reduce()

  : 스트림의 요소를 줄여나가면서 연산을 수행하고 최종 결과를 반환함.

  처음 두 요소를 가지고 연산한 결과를 가지고, 다음 요소와 연산을 반복한다.

  스트림의 모든 요소를 소모하면 그 결과를 반환함.

  • Optional<T> reduce(BinaryOperator<T> accumulator)

  • T reduce(T identity, BinaryOperator<T> accumulator) (identity와 첫 요소로 연산을 시작)

    identity : 초기값, BinaryOperator : 연산

    초기값을 설정하고, 어떤 연산으로 스트림의 요소를 줄여나갈지 결정한다.

  • 리듀싱은 내부적으로 아래와 같이 동작한다.

  T reduce(T identity, BinaryOperator<T> accumulator) { 
      T a = identity;
      for(T b : stream)
          a = accumulator.apply(a, b);
      return a;
  }
  
  // 예를 들어 모든 요소를 더하는 경우
  int a = identity 
  for(int b : stream)
      a = a + b;

• collect()와 Collector

  스트림의 최종연산 중에서도 가장 복잡하지만 유용하다.

  • collect() : 스트림의 요소를 수집하는 최종연산. reduce()와 유사하다.

    Object collect(Collector collector)

    매개변수로 Collector(Collector를 구현한 클래스의 객체)를 필요로 한다.

    collect()는 해당 객체에 구현된 방법대로 스트림의 요소를 수집한다.

  • Collector 컬렉터 : Collector 인터페이스를 구현한 것. collect()로 스트림의 요소를 어떻게 수집할지 그 방법이 정의되어 있음.

    • 해당 클래스에 제공되는 메소드를 사용할 수 있고, 직접 Collector인터페이스를 구현해 컬렉터를 만들 수도 있다.

  • Collectors : 클래스. static메서드로 미리 작성된 다양한 컬렉터를 반환한다. (Collectors.toList처럼 사용)

    • 스트림을 컬렉션/배열로 반환

      : toList(), toSet(), toMap(), toCollection(), toArray()

    • 통계

      : counting(), summingInt(), averagintInt(), maxBy(), minBy()

    • 리듀싱

      : reduce(), reducing()

    • 문자열 결합

      : joining()

    • 분류 - 그룹화 / 분할

      (그룹화 : 스트림의 요소를 특정 기준-Function-으로 그룹으로 묶기)

      (분할 : 스트림의 요소를 조건-Predicate-에 일치하는 그룹, 일치하지 않는 그룹 2가지로 나누기)

      : groupingBy(), partitioningBy()

Optional

Optional<T>는 제네릭 클래스로, T타입의 객체를 감싸는 래퍼클래스이다. Optional 객체에는 모든 타입의 참조변수를 담을 수 있다.

• 스트림 최종 연산의 결과를 그냥 반환하는 대신 Optional객체에 담아 반환하면, Optional에 정의된 메서드를 이용해 결과를 간단히 처리할 수 있다.
• Optional객체에도 Stream처럼 filter(), map(), flatMap()을 사용할 수 있다.

(개념만 간단히 공부하고 필요시 참고하며 보충하겠습니다)

Optional 객체 생성

• Optional<T> optional = Optional.of(참조변수) : 일반적인 경우에 사용 (참조변수가 null일 때 NullPointerException 발생)
• Optional<T> optional = Optilnal.ofNullable(참조변수) : 참조변수의 값이 null일 가능성이 있을 때 사용
• Optional<T> optional = Optional.empty() : 참조변수를 기본값으로 초기화함

Optional 객체의 값 가져오기

• get()
• orElse(), orElseGet(), orElseThrow()
• isPresent(), ifPresent()