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WhiteShip Live Study 13주차. IO

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WhiteShip Live Study 13주차. IO

목표

자바의 Input과 Ontput에 대해 학습하세요.

학습할 것 (필수)

  • 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

I/O ?

I는 Input, O는 Output의 약자로 입력과 출력을 의미하며,
입출력은 컴퓨터 내부 또는 외부의 장치와 프로그램 간의 데이터를 주고 받는 것이다.
가장 간단하게 생각하자면 키보드로는 문자를 입력 하고, 스피커로는 소리를 출력받는다는것으로 예를 들 수 있다.

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

스트림

자바에서 입출력을 수행하려면 두 대상을 연결하고 전송할 수 있는 무언가가 필요하다.
이때 무언가라는 것이 바로 스트림이다.

채널

사실 채널도 마찬가지이다.
두 가지의 차이점을 보자면 읽거나, 쓰거나 하나만 가능한 스트림에 비해
채널은 읽고 쓰고가 모두 가능한 양방향이다.

IO에서는 스트림, NIO에서는 채널을 사용한다.
IO와 NIO에 대해서는 마지막에 다루겠다.

버퍼

버퍼는 임시저장공간이다.
생활 속에서 버퍼를 자주 볼 수 있는데(요새는 많이 줄었지만..)
‘동영상 시청 중 버퍼링 걸린다’ 의 버퍼링이 바로 버퍼이다.

서버와 클라이언트 간의 통신에도 버퍼는 상당히 많이 사용된다.
TCP 통신의 각 소켓에는 send buffer와 receive buffer가 있다.
이때 쓰이는 buffer는 패킷의 유실방지 및 성능개선 등의 이유로 사용된다.

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네트워크 스터디가 아니니 가볍게 버퍼가 무엇인지에 초점을 두고 생각해보자.

화살표는 각 패킷이다. 만약 1~3번을 전송하던 중 2번이 유실됬다.
Sender는 이 사실을 모르기 때문에 계속 다른 패킷을 전송할 것이고,
Receiver는 원하는 패킷이 아니기 때문에 받는 족족 다 버릴 것이다.

이것을 방지하기 위해 Receive buffer에 3번 패킷을 보관해두고 Sender에게 2번을 못 받았다고 요청을 한다.
추후 2번 패킷을 다시 받게 되면 버퍼에 담아둔 3번 패킷까지 한번에 다 받을 수 있다.

이렇게 버퍼는 임시저장공간으로 많은 곳에서 사용된다.

InputStream과 OutputStream

스트림은 데이터를 바이트단위로 전송한다.
이때 입출력 스트림은 InputStream과 OutputStream을 사용한다.
두개의 스트림은 추상 클래스이며, 입출력 대상에 따라
추상메서드를 구현한 클래스들이 존재한다.

입출력 대상 스트림
파일 FileInputStream
FileOutputStream
메모리 (Byte배열) ByteArrayInputStream
ByteArrayOutputStream
프로세스 PipedInputStream
PipedOutputStream
오디오장치 AudioInputStream
AudioOutputStream

보조 스트림

보조 스트림은 실제로 데이터를 주고받는 스트림은 아니지만,
스트림의 기능을 향상시키거나, 새로운 기능을 추가하는 역할을 한다.
그렇기 때문에 스트림을 먼저 생성한 다음, 이를 이용해서 보조 스트림을 생성한다.

Byte와 Character 스트림

자바는 한 문자를 의미하는 char가 1바이트가 아닌 2바이트이다.
이를 처리하는데 어려움이 있었는데 이 점을 보완하기 위해 Character 스트림이 제공된다.

InputStream은 Reader, OutputStream은 Writer로 바꿔 사용하면 된다.
단 ByteArrayInputStream의 문자기반 스트림은 CharArrayReader이다.

Byte Stream Character Stream
FileInputStream
FileOutputStream		 FileReader
FileWriter
ByteArrayInputStream
ByteArrayOutputStream		 CharArrayReader
CharArrayWriter
PipedInputStream
PipedOutputStream		 PipedReader
PipedWriter
AudioInputStream
AudioOutputStream		 AudioReader
AudioWriter

두 가지의 차이점은 읽고 쓰기에 사용되는 메서드에 매개변수가
byte배열과 char배열인 것 말고는 사용법은 거의 동일하다.

Byte Stream
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Character Stream
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표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)

표준 입출력은 콘솔로의 데이터 입력과 출력을 의미한다.
자바는 표준 입출력을 위해 System.in, System.out, System.err 세 가지 입출력 스트림을 제공한다.
이 세 가지 스트림은 자바 애플리케이션의 실행과 동시에 사용할 수 있게
자동적으로 생성이 되므로 별도로 스트림을 생성하지 않고도 사용 할 수 있다.

public static void main(String[] args) {
    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    String input = scanner.next();

    System.out.println(input);
}

아마 가장 손쉽게 찾아볼 수 있는 예시일 것 이다. Scanner의 인자값으로 System.in을 넣는다는 것에서 눈치를 챘겠지만,
Scanner를 통해 콘솔에 데이터를 입력할 수 있다.
또한 입력한 값을 System.out.println()을 사용함으로써
콘솔에 데이터를 출력할 수 있다.

파일 읽고 쓰기

파일 읽기

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FileRead.txt 파일을 미리 만들어두었다.
FileReader를 통해 읽어 올 것이고,
문자열로 받아올 것이니 BufferedReader를 사용했다.

 public static void main(String[] args) {
    try {
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new FileReader(new File("/Users/Desktop/IO-Exam/FileRead.txt")));
        
        String message = "";

        while ((message = bufferedReader.readLine()) != null) {
            System.out.println(message);
        }
        
        bufferedReader.close();

    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

// 파일 읽고쓰기 테스트입니다.

BufferedReader 는 아래의 세 가지 객체를 한줄로 만든 것이다.

File file = new File("/Users/Desktop/FileRead.txt");
FileReader fileReader = new FileReader(file);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);

파일 쓰기

다음은 파일 쓰기이다.
File 객체를 사용해서 새로운 txt 파일을 만들 것 이다.
FileWriter를 통해 읽어 올 것이고,
BufferedWriter를 사용했다.

public static void main(String[] args){
    File file = new File("/Users/Desktop/IO-Exam/FileWrite.txt");

    try{
        FileWriter fileWriter = new FileWriter(file);
        BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(fileWriter);

        if(file.isFile() && file.canWrite()){
            bufferedWriter.write("파일 쓰기 테스트입니다.");
            bufferedWriter.newLine();
            bufferedWriter.write("두 번째 라인");
        
            bufferedWriter.close();
        }
    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
    }
}

error

물론 BufferedWriter 또한 아래와 같이 한줄로 줄일 수 있다.

BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new FileWriter(new File("/Users/ekkkk1/Desktop/IO-Exam/FileWrite.txt")));

IO / NIO

제일 처음에 IO는 컴퓨터 내부 또는 외부의 장치와 프로그램 간의 데이터를 주고 받는 것이라고 했었다.
그럼 NIO는 무엇일까?

Blocking을 사용하는 IO와는 다르게 NIO에는 Non-Blocking이라는 것이 추가되었다.
원래는 New Input/Output의 약자였는데 2002년에 도입되었으니 new 라는 키워드를 붙이긴 조금 애매해졌다.
그렇기때문에 대부분 사람들은 NIO를 논블로킹 입출력으로 받아들인다.

Blocking Non-Blocking

Blocking

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블로킹은 위와 같이 소켓마다 새로운 Thread를 할당해야한다.
이러한 방식의 문제점은 크게 세 가지가 있다.

첫째 여러 스레드가 입출력 데이터가 들어오기를 기다리며 무한정 대기 상태에 빠질 수 있다.
이는 리소스 낭비로 이어질 가능성이 높다.
둘째 각 스레드가 스택 메모리를 할당해야 하는데, 스택의 기본크기는 64KB ~ 1MB 까지 차지할 수 있다.
셋째 JVM은 물리적으로 아주 많은 수의 스레드를 지원할 수 있지만, 컨텍스트 전환에 따른 오버헤드로 심각한 문제가 생길 수 있다.

10만 이상의 동시 연결을 지원해야 하는 경우에는 처음부터 배제하는 것이 바람직하다.

Non-Blocking

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이 그림 한장으로도 앞서 봤던 Blocking의 문제점이 해결된 것을 알 수 있을 것이다.
Selector 클래스는 논블로킹 입출력의 핵심이다.
이를 통해 한 스레드로 여러 동시 연결을 처리할 수 있는데,
이러한 방식은 블로킹 입출력에 비해 훨씬 개선된 리소스 관리 효율을 보여준다.

Blocking에 비해 Non-Blocking은 구현이 어려운 편이다.
Netty나 Mina와 같은 프레임워크를 공부하는것도 좋은 방법이라 생각한다.

참고

남궁성 - 자바의 정석
Norman Maurer , Marvin Allen Wolfthal - 네티션 인 액션

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