[Java] Java I/O

Posted 21. February 2021. 9 min read.

JAVA I/O

13주차 내용은 자바의 I/O에 관련된 내용입니다.

스트림 (Stream) / 버퍼 (Buffer) / 채널 (Channel) 기반의 I/O
InputStream 과 OutputStream
Byte 와 Character 스트림
표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)
파일 읽고 쓰기

스트림, 버퍼, 채널 기반 I/O

자바 NIO(New Input/Output)

자바 1.4버전부터 추가된 API로 Non-blocking 처리가 가능하며, 스트림이 아닌 채널을 사용합니다.

기존의 I/O와는 다음의 차이가 있습니다.

기존 IO 방식의 경우에서는 각각의 스트림에서 read()와 write()가 호출이 되면 데이터가 입력 되고, 데이터가 출력되기전까지, 스레드는 멈춤상태가 됩니다. 이 경우에는 작업이 끝날때까지 사용할 수 없으며, 그전에는 해당 IO 스레드는 사용할 수 없고 인터럽트도 할 수 없습니다. (스트림을 닫는 방법이 유일합니다.)
NIO의 블로킹 상태에서는 Interrupt를 통해서 빠져 나올 수 있습니다.

--	IO	NIO
입출력 방식	스트림	채널
비동기 방식 지원	X	O
Blocking/Non-Blocking	Blocking Only	Both
사용 경우	연결 클라이언트가 적고	연결 클라이언트가 많고
	I/O처리가 큰 경우(대용량)	I/O처리가 작은 경우(저용량)

스트림(Stream)

FIFO(First In First Out)
단방향이기 때문에 입력 스트림과 출력 스트림을 별도로 사용합니다.
연속된 데이터의 흐름으로 입출력 진행시 다른 작업을 할 수 없는 블로킹(Blocking) 상태가 됩니다.
입출력 대상을 변경하기 편하며 동일한 프로그램 구조를 유지할 수 있습니다.

버퍼(Buffer)

byte, char, int 등의 기본 데이터 타입을 저장할 수 있는 저장소로서, 배열과 마찬가지로 제한된 크기(capacity)에 순서대로 데이터를 저장합니다.
버퍼는 데이터를 저장하기 위한 것이며, 실제로 버퍼가 사용되는 것은 채널을 통해서데이터를 주고 받을 때 사용됩니다.
채널을 통해서 소켓, 파일 등에서 데이터를 전송할 때나 읽어올 때 버퍼를 사용하게 됨으로써 가비지량을 최소화 시키며 이는 가비지 콜렉션의 회수를 줄임으로써 서버의 전체 처리량을 증가시킵니다.

채널(Channel) 기반 I/O

채널은 서버와 클라인트간의 통신 수단을 나타냅니다. 일종의 데이터가 다니는 통로라는 점에서 비슷하지만 양방향이기 때문에 읽기와 쓰기가 동시에 가능합니다.

대표적으로 다음과 같이 있습니다.

SocketChannel (소켓과 연결)
FileChannel (파일 채널)
Pipe.SinkChannel (파이프와 연결)
Pipe.SourceChannel (파이프와 연결)
ServerSocketChannel (서버소켓과 연결)

InputStream, OutputStream

InputStream

바이트 기반의 입력 스트림의 최상위 추상 클래스입니다.
모든 바이트 기반 입력 스트림은 해당 클래스 상속 받아서 만들어집니다.
버퍼, 파일, 네트워크 단에서 입력되는 데이터를 읽어오는 기능을 수행합니다.

메서드	설명
read()	입력 스트림으로부터 1바이트를 읽어서 바이트를 리턴
read(byte[] b)	입력 스트림으로부터 읽은 바이트들을 매개값으로 주어진 바이트 배열 b에 저장하고 실제로 읽은 바이트 수를 리턴
read(byte[] b, int off, int len)	입력 스트림으로부터 len 개의 바이트만큼 읽고 매개값으로 주어진 바이트 배열 b[off]부터 len 개까지 저장
close()	사용한 시스템 자원을 반납하고 입력 스트림 닫기

OutputStream

바이트 기반의 출력 스트림의 최상위 추상 클래스입니다.
모든 바이트 기반 출력 스트림은 해당 클래스를 상속 받아서 만들어집니다.
버퍼, 파일, 네트워크 단으로 데이터를 내보내는 기능을 수행합니다.

메서드	설명
write(int b)	출력 스트림으로부터 1바이트를 보냅니다.
write(byte[] b	출력 스트림으로부터 주어진 바이트 배열 b의 모든 바이트를 보낸다
write(byte[] b, int off, int len)	출력 스트림으로 주어진 바이트 배열 b[off]부터 len 개까지의 바이트를 보내야한다
flush()	버퍼에 잔류하는 모든 바이트를 출력한다.
close()	사용한 시스템 자원을 반납하고 입력 스트림 닫기

Byte와 Character 스트림

스트림의 객체도는 다음과 같습니다.

Byte Stream

binary 데이터를 입출력하는 스트림
데이터는 1바이트 단위로 처리합니다.
이미지, 동영상 등을 송수신할 때 주로 사용합니다.

Character Stream

text 데이터를 입출력하는 스트림
데이터는 2바이트 단위로 처리합니다.
일반적인 테스트 및 JSON, HTML 등을 송수신할 때 주로 사용합니다.

보조 Stream

FilterInputStream과 FilterOutputStream을 상속받는 클래스들로 기본 스트림과 결합하여 특정 상황에서 편하게 사용할 수 있습니다.
BufferedInputStream/BufferedOutputStream
- 버퍼를 사용하여 입출력 효율과 편의를 위해 사용할 수 있습니다.
BufferedReader/BufferedWriter
- 라인단위의 입출력이 편리합니다.
InputStreamReader/OutputStreamReader
- 바이트 스트림을 문자 스트림처러 쓸 수 있도록하며 문자 인코딩 변환을 지원합니다.
DataInputStream/DataOutputStream
- 자바 원시 자료형 데이터 처리에 적합합니다.

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

표준 스트림은 콘솔(console,도스창)을 통한 데이터 입력과 콘솔로의 데이터 출력을 의미합니다. 자바에서는 표준 스트림을 3가지 제공을 합니다.(System.in, System.out, System.err)

해당 표준 스트림은 java.lang 패키지의 System 클래스 내부에 선언되어 있습니다. 또한 이 표준 스트림들은 자바 어플리케이션의 실행과 동시에 사용할 수 있도록 자동적으로 생성이 됩니다. 그렇기 때문에 개발자가 별도로 스트림을 생성하는 코드를 작성하지 않고도 사용이 가능합니다.

이를 확인해보면 다음과 같이 구성되어 있습니다.

public final class System {
  public static final InputStream in;
  public static final PrintStream out;
  public static final PrintStream err;
}

다음과 같은 의미를 가집니다,

System.out 은 콘솔 화면에 문자열을 출력하기 위한 용도로 사용되는 출력 스트림입니다.
System.in 은 키보드의 입력을 받아들이기 위해 사용되는 입력 스트림입니다.
System.out 와 System.err
- 둘다 출력 스트림입니다.
- System.err 는 좀 더 정확하고 빠르게 출력해야하기 때문에 버퍼링을 지원하지 않습니다. (버퍼링 도중 프로그램이 멈추면 버퍼링 내용이 출력이 되지않기 때문에.)

파일 읽고 쓰기

텍스트 파일의 경우에는 문자 스트림 클래스를 사용하고, 바이너리 파일의 경우에는 바이트 스트림을 기본적으로 사용합니다.

입출력 효율을 위해 Buffered 계열의 보조 스트림을 사용하는 것이 좋습니다.

텍스트 파일 의 경우

BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt"));
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileReader("b.txt"));
String s;

while((s = br.readLind()) != null){
  br.write(s + "\n");
}

이진 파일 의 경우

BufferedInputStream is = new BufferedInputStream(new FileInputStream("a.jpg"));
BufferedOutputStream os = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("b.jpg"));
byte[] buffer = new byte[100000];
while (is.read(buffer) != -1) {
  os.write(buffer)
}

출처

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