[Tomcat 구현하기] (2) - InputStream, OutputStream이 뭐지?

 

 

 

 

🤔 스트림(Stream) 이란?

스트림이란 데이터의 흐름을 의미합니다.

이해하기 쉽게 예를 들어보겠습니다.

 

메모장에 무언가를 기록하기 위해 키보드로 입력을 하는 상황에서도 스트림이 발생합니다.

키보드에서 메모장으로 데이터가 흐르기 때문입니다.

 

이번에는 코드를 통해 한 가지 예시를 살펴보도록 하겠습니다.

import java.util.Scanner;

public class Main {

    private static Scanner sc = new Scanner(System.in);

    public static void main(String[] args) {
        String input = sc.nextLine();
        System.out.println(input);
    }
}

위 코드를 실행하고 "말랑"을 입력해 보면 다음과 같은 결과를 확인할 수 있습니다.

위도 스트림의 한 형태입니다.

사용자의 키보드에서 데이터가 출발하여 프로그램에 도착하고, 해당 데이터는 다시 프로그램에서 출발하여 화면에 표시됩니다.

 

이러한 스트림을 프로그램 입장에서 생각하면 다음 두 가지로 구분할 수 있습니다.

• 데이터가 외부로부터 출발하여 프로그램으로 들어오는 스트림
• 데이터가 프로그램에서 출발하여 프로그램 외부로 빠져나가는 스트림

이때 전자를 InputStream, 후자를 OutputStream이라 부릅니다.

 

 

그림으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

쉽게 말하면 프로그램은 InputStream을 통해 데이터를 읽고, OutputStream을 통해 데이터를 씁니다.

이때 데이터는 바이트를 기반으로 읽고 쓰여지게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🤔 자바의 OutputSteam 에 대해 살펴보자

자바에서는 OutputStream을 통해 데이터 출력을 처리합니다.

이때 기반이 되는 메서드는 write(int b) 입니다.

b는 바이트의 크기를 지정하는 파라미터입니다.

 

한번 예시를 살펴보도록 하겠습니다.

@Test
void OutputStream은_데이터를_바이트로_처리한다() throws IOException {
    byte[] bytes = {110, 101, 120, 116, 115, 116, 101, 112};
    OutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream(bytes.length);
    outputStream.write(bytes);
    String actual = outputStream.toString();
    assertThat(actual).isEqualTo("nextstep");
    outputStream.close();
}

(110, 101, 120, 116, 115, 116, 101, 112를 아스키코드에 맞춰 문자로 대응시켜보면 nextstep입니다.)

OutputStream을 모두 사용하였다면 반드시 close()를 호출해 주어야 합니다.

(OutputStream는 Closable을 구현하였기에 try with resource를 통해서 간편하게 close() 시킬 수 있습니다)

 

 

 

 

 

 

🐳 BufferedOutputStream을 통해 버퍼링을 사용하자

데이터의 효율적인 전송을 위해 버퍼링을 사용할 수 있습니다.

예를 들어 하드디스크의 어떤 파일에 데이터를 보내야 하는 경우를 생각해 보겠습니다.

하드디스크에 접근하는 것은 매우 느리기 때문에 write() 메서드를 통해 바이트 단위로 파일에 작성하게 된다면 성능이 매우 느릴 것이 당연합니다.

이럴 때 버퍼링을 사용할 수 있습니다.

데이터를 바로 파일에 작성하지 않고 버퍼에 모아뒀다가 한번에 작성하면 파일에 대한 접근을 최소화할 수 있어 성능을 최적화할 수 있습니다.

 

자바에서는 BuffredOutputStream 클래스를 통해 OutputStream에서 버퍼링을 사용할 수 있도록 해줍니다.

@Test
void BufferedOutputStream을_사용하면_버퍼링이_가능하다() throws IOException {
    byte[] bytes = {110, 101, 120, 116, 115, 116, 101, 112};
    OutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream(bytes.length);
    BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(outputStream);
    bufferedOutputStream.write(bytes);
    bufferedOutputStream.flush(); // 필수
    String actual = outputStream.toString();
    outputStream.close();
    assertThat(actual).isEqualTo("nextstep");
}

위와 같이 BuffredOutputStream의 생성자에 OutputStream을 건네주면, 해당 OutputStream으로 데이터를 쓰는 것은 동일하나 버퍼링되어 쓰여진다는 점이 추가됩니다.

이때 버퍼링된 데이터를 실제 OutputStream으로 쓰기 위해서는 flush()를 호출해 주어야 합니다.

 

 

💡 BuffredOutputStream와 같이 다른 스트림과 연결되어 여러 기능들을 추가로 제공하는 스트림을 FilterOutputStream이라 합니다.
이에 대해서는 조금 뒤에 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

🐳 BufferedOutputStream 성능 비교

OutputStream: System.out
write() 호출 횟수: 1000000 번
write()당 쓰여지는 데이터: "mallang\n"

 

 

👀 버퍼링 없는 경우

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        OutputStream outputStream = System.out;
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            outputStream.write("mallang\n".getBytes());
        }
        outputStream.close();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("경과시간: " + (end - start) + "mx");
    }
}

 

 

 

 

👀 버퍼링 사용한 경우

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        OutputStream outputStream = System.out;
        BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(outputStream);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            bufferedOutputStream.write("mallang\n".getBytes());
        }
        bufferedOutputStream.flush();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("경과시간: " + (end - start) + "mx");
    }
}

엄청난 성능 차이가 있는 것을 알 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🤔 필터 스트림(FilterStream) 이란?

기존 스트림에 추가적으로 연결되어 도중에 데이터를 변환하거나 혹은 버퍼링 등의 추가 기능을 제공해주는 스트림을 의미합니다.

자바에서 필터 스트림의 최상위 클래스는 FilterInputStream과 FilterOutputStream입니다.

각각의 설명은 다음과 같습니다.

 

FilterInputStream

A FilterInputStream contains some other input stream, which it uses as its basic source of data, possibly transforming the data along the way or providing additional functionality.

 

FilterOutputStream

This class is the superclass of all classes that filter output streams. These streams sit on top of an already existing output stream (the underlying output stream) which it uses as its basic sink of data, but possibly transforming the data along the way or providing additional functionality.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🤔 자바의 InputSteam 에 대해 살펴보자

자바에서는 InputStream을 통해 데이터 출력을 처리합니다.

이때 기반이 되는 메서드는 read() 입니다.

 

설명을 살펴보면 다음과 같습니다.

Reads the next byte of data from the input stream.
The value byte is returned as an int in the range 0 to 255.
If no byte is available because the end of the stream has been reached, the value -1 is returned.
This method blocks until input data is available, the end of the stream is detected, or an exception is thrown.

read() 메서드의 반환 타입은 int이며, 읽은 바이트가 int로 변환되어 반한된다고 합니다. (범위는 0 ~ 255 사이입니다)

그리고 더이상 읽을 데이터가 없다면 -1을 반환합니다.

 

 

한번 예시를 살펴보도록 하겠습니다.

@Test
void InputStream은_데이터를_바이트로_읽는다() throws IOException {
    byte[] bytes = {-16, -97, -92, -87};
    final InputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(bytes);

    byte[] actual = inputStream.readAllBytes();

    assertThat(new String(actual)).isEqualTo("🤩");
    assertThat(inputStream.read()).isEqualTo(-1);
    inputStream.close();
}

위와 같이 readAllBytes() 를 통해서 InputStream의 모든 데이터를 읽어올 수 있습니다.

InputStream을 모두 사용하였다면 반드시 close()를 호출해 주어야 합니다.

(InputStream는 Closable을 구현하였기에 try with resource를 통해서 간편하게 close() 시킬 수 있습니다)

 

 

💡 이모지를 표현하는 방법: UTF-16 인코딩의 Surrogate Pair

 

 

InputStream에도 버퍼링을 적용시킬 수 있는 BufferedInputStream이 존재합니다.

@Test
void 필터인_BufferedInputStream를_사용해보자() throws IOException {
    final String text = "필터에 연결해보자.";
    final InputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(text.getBytes());
    final InputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);

    final byte[] actual = bufferedInputStream.readAllBytes();

    assertThat(bufferedInputStream).isInstanceOf(FilterInputStream.class);
    assertThat(actual).isEqualTo("필터에 연결해보자.".getBytes());
}

위와 같이 사용할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🤔 InputStreamReader와 OutputStreamWriter

InputStream과 OutputStream에서 데이터는 바이트 단위로 흘러갑니다.

그래서 이들을 문자로 읽거나 쓰고 싶으면 이를 변환하는 과정이 필요합니다.

 

자바는 InputStreamReader와 OutputStreamWriter를 통해 byte 스트림을 문자 스트림으로 변환해주는 기능을 제공합니다.

 

InputStreamReader

An InputStreamReader is a bridge from byte streams to character streams: It reads bytes and decodes them into characters using a specified charset.
The charset that it uses may be specified by name or may be given explicitly, or the platform's default charset may be accepted.
Each invocation of one of an InputStreamReader's read() methods may cause one or more bytes to be read from the underlying byte-input stream.
To enable the efficient conversion of bytes to characters, more bytes may be read ahead from the underlying stream than are necessary to satisfy the current read operation.
For top efficiency, consider wrapping an InputStreamReader within a BufferedReader.
For example:
          BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

 

 

 

OutputStreamWriter

An OutputStreamWriter is a bridge from character streams to byte streams: Characters written to it are encoded into bytes using a specified charset.
The charset that it uses may be specified by name or may be given explicitly, or the platform's default charset may be accepted.
Each invocation of a write() method causes the encoding converter to be invoked on the given character(s).
The resulting bytes are accumulated in a buffer before being written to the underlying output stream.
Note that the characters passed to the write() methods are not buffered.
For top efficiency, consider wrapping an OutputStreamWriter within a BufferedWriter so as to avoid frequent converter invocations.

For example:
        Writer out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(System.out));

A surrogate pair is a character represented by a sequence of two char values:
A high surrogate in the range '\uD800' to '\uDBFF' followed by a low surrogate in the range '\uDC00' to '\uDFFF'.
A malformed surrogate element is a high surrogate that is not followed by a low surrogate or a low surrogate that is not preceded by a high surrogate.
This class always replaces malformed surrogate elements and unmappable character sequences with the charset's default substitution sequence.
The CharsetEncoder class should be used when more control over the encoding process is required.

 

Reader와 Writer에서도 BuffredReader와 BufferedWriter를 통해 버퍼링을 사용하여 성능을 향상시킬 수 있다고 나와있습니다.

 

 

사용 예시를 살펴보겠습니다.

@Test
void BufferedReader를_사용하여_문자열을_읽어온다() {
    String emoji = String.join("\r\n",
            "😀😃😄😁😆😅😂🤣🥲☺️😊",
            "😇🙂🙃😉😌😍🥰😘😗😙😚",
            "😋😛😝😜🤪🤨🧐🤓😎🥸🤩",
            "");
    InputStream inputStream = new ByteArrayInputStream(emoji.getBytes());
    BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));

    String actual = br.lines()
        .collect(Collectors.joining("\r\n", "", "\r\n"));
    assertThat(actual).hasToString(emoji);
}

 

 

 

 

 

 

 

이렇게 해서 스트림에 대해 간단히 공부해보는 시간을 가졌습니다.

다음 글에서는 이전 글에서 살펴본 나머지 의문점인 resources 디렉토리 내의 파일들을 찾는 방법에 대해 살펴보겠습니다.