[13주차] I/O

✏️ Info.

- Java I/O 학습

---

📋 List.

1. 스트림 (Stream)
2. 버퍼(Buffer)
3. 채널(Channel)
4. Byte
5. Character
6. 표준 스트림 (System.in, System.out, System.err)
7. 파일 읽고 쓰기

---

✔️ Content.

 

1. 스트림 (Stream)

 

• 자바는 파일이나 콘솔의 입출력을 직접 다루지 않고, 스트림(Stream)이라는 흐름을 통해 다룬다.
• 실제 입력이나 출력이 표현된 데이터의 이상화된 흐름
• 운영체제에 의해 생성되는 가상의 연결고리, 중간 매개자 역할

Stream

1). 입출력 스트림(InputStream과 OutputStream)

 

• 스트림은 한 방향으로만 통신이 가능하기 때문에 입력과 출력을 동시에 처리할 수 없다.
• java.io 패키지를 통해 InputStream, OutputStream 클래스를 별도 제공한다.
• 즉, 스트림 클래스의 인스턴스를 생성해서 사용한다.

1.1) InputStream

InputStream

 

• 바이트 기반 입력 스트림의 최상위 클래스로 추상 클래스이다.
• 모든 바이트 기반 입력 스트림은 InputStream 클래스를 상속받아서 만들어진다.
• read() 메서드가 추상 메서드로 포함되어 있다.

 

메소드	설명
abstract int read()	입력 스트림으로부터 1바이트를 읽고 읽은 바이트를 리턴한다
int read(byte[] b)	입력 스트림으로부터 특정 바이트를 읽어들인 후, 배열 b에 저장하고 실제로 읽은 바이트 수를 리턴한다.
int read(byte[] b, int off, int len)	입력 스트림으로부터 len 바이트를 읽어들인 후, 배열 b[off]부터 저장하고 실제로 읽은 바이트 수인 len개를 리턴하고 만약 len 개를 모두 읽지 못하면 실제로 읽은 바이트 수를 리턴한다.
void close()	사용한 시스템 자원을 반납하고 입력 스트림을 닫는다.

 

read()의 반환 타입이 int인 이유

 

• read()의 반환 값의 범위는 0~255, -1
• 입력 스트림에서 더 이상 읽어 들일 바이트가 없으면, -1을 반환해야 한다. 하지만 반환 타입이 byte타입이면 -1을 표현할 수 없기 때문에 int형으로 선언한다.

 

InputStream read() 사용 예

    void input() throws IOException {
        InputStream in = System.in;
        int read;
        while((read = in.read()) != -1){            
        }
    }

 

1.2) OutputStream

 

OutputStream

 

• 바이트 기반 출력 스트림의 최상위 클래스로 추상 클래스이다.
• 모든 바이트 기반 출력 스트림은 OutputStream 클래스를 상속받아서 만들어진다.
• write() 메서드가 추상 메서드로 포함되어 있다.

 

메소드	설명
abstract void write(int b)	출력 스트림으로 1바이트를 보낸다 (b의 끝 1바이트)
void write(byte[] b)	출력 스트림으로 주어진 바이트 배열 b의 모든 바이트를 보낸다.
void write(byte[] b, int off, int len)	출력 스트림으로 주어진 바이트 배열 b[off] 부터 len 까지의 바이트를 보낸다.
void flush()	버퍼에 잔류하는 모든 바이트를 출력한다.
void close()	사용한 시스템 자원을 반납하고 출력 스트림을 닫는다.

 

2). 보조 스트림

보조 스트림

• 실제로 데이터를 주고받을 수는 없지만, 스트림의 기능을 향상하거나 새로운 기능을 추가해 주는 스트림
• 다른 스트림과 연결되어 여러 가지 편리한 기능을 제공해주는 스트림
• 필터(filter) 스트림이라고도 한다. 이는 보조 스트림의 일부가 FilterInputStream, FilterOutputStream의 하위 클래스이기 때문이다.
• 문자변환, 입출력 성능 향상, 기본 데이터 타입 입출력, 객체 입출력 등의 기능 제공

 

입력 스트림	출력 스트림	설명
FilterInputStream	FilterOutputStream	필터를 이용한 입출력
BufferedInputStream	BufferedOutputStream	버퍼를 이용한 입출력
DataInputStream	DataOutputStream	입출력 스트림으로부터 자바의 기본 타입으로 데이터를 읽어올 수 있게 한다.
ObjectInputStream	ObjectOutputStream	데이터를 객체 단위로 읽거나, 읽어 들인 객채를 역직렬화 시킨다.
SequenceInputStream	X	두 개의 입력 스트림을 논리적으로 연걸
PushbackInputStream	X	다른 입력 스트림에 버퍼를 이용하여 push back이나 unread와 같은 기능을 추가
X	PrintStream	다른 출력 스트림에 버퍼를 이용하여 다양한 데이터를 출력하기 위한 기능을 추가

 

보조 스트림 생성

 

• 보조 스트림을 생성할 때에는 자신이 연결될 스트림을 생성자의 매개 값으로 받는다.
• 보조 스트림 변수 = new 보조 스트림(연결 스트림)

void filterStream(){
        // 연결 스트림
        InputStream inputStream = System.in;
        // 보조 스트림
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
    }

 

 

스트림 체인

• 위 그림과 같이 보조 스트림은 또 다른 보조 스트림에도 연결되어 스트림 체인을 구성할 수 있다.

    void filterStream(){
        // 연결 스트림
        InputStream inputStream = System.in;
        // 보조 스트림
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);
        // 보조 스트림 2
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);
    }

---

 

2. 버퍼(Buffer)

 

버퍼

• 성능 향상 보조 스트림
• CPU와 입출력 장치의 속도 차이에서 나오는 비효율성을 줄이기 위해 사용
• 데이터를 전송하는 저, 고속 장치 간의 속도 차이를 줄여주는 역할을 하는 중간 저장소
• 복수 개의 바이트를 한 번에 입력받고 한 번에 출력

스트림 구분	입력	출력
바이트 기반 스트림	BufferedInputStream	BufferedOutputStream
문자 기반 스트림	BufferedReader	BufferedWriter

 

• BufferedInputStream과 BufferedReader 보조 스트림은 생성자의 매개 값으로 준 입력 스트림과 연결되어 81292 내부 버퍼 사이즈를 가지게 된다.
• BufferdOutputStream과 BufferedWriter 보조 스트림은 생성자의 매개 값으로 준 출력 스트림과 연결되어 8192 내부 버퍼 사이즈를 가지게 된다.
• BufferedInputStream과 BufferedOutputStream은 최대 8192 바이트가 저장될 수 있다.
• BufferedReader과 BufferedWriter는 최대 8192 문자가 저장될 수 있다.
• 데이터를 읽어 들이는 방법은 InputStream 또는 Reader와 동일하다.
• 데이터를 출력하는 방법은 OutputStream 또는 Writer와 동일하다.

 

1). BufferedInputStream과 BufferedReader

 

버퍼 입력

 

 

• 입력 소스로부터 자신의 내부 버퍼 크기만큼 데이터를 미리 읽고 버퍼에 저장
• 프로그램은 외부의 입력 소스로부터 직접 읽는 대신 버퍼로부터 읽음으로써 읽기 성능이 향상된다.
• BufferedReader는 readLine() 메소드를 추가적으로 가지고 있어, 캐리지 리턴(\r) 라인피드(\n)로 구분된 행 단위의 문자열을 한꺼번에 읽을 수 있다.

void buffered(){
        // 생성자 - 바이트 입력 스트림
        BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(System.in);
        // 생성자 - 문자 입력 스트림
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    }

 

2). BufferedOutputStream과 BufferdWriter

버퍼 출력

• 주의할 점은 버퍼가 가득 찼을 때만 출력을 하기 때문에 마지막 남은 데이터 부분이 목적지로 가지 못하고 버퍼에 남을 수 있다. 따라서 마지막 출력 작업을 마친 후에는 flush() 메서드를 호출해 버퍼에 잔류하고 있는 데이터를 모두 보내도록 해야 한다.

 void buffered(){
        // 생성자 - 바이트 출력 스트림
        BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(System.out);
        // 생성자 - 문자 출력 스트림
	BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(System.out));
    }

---

 

3. 채널(Channel)

 

• 채널은 스트림과 달리 양방향으로 입력과 출력이 가능하다. 때문에 입력과 출력을 위해 별도의 채널을 만들 필요가 없다.
• 예로 데이터를 읽고 저장하는 작업을 하기 위해서는 FileChannel 하나만 생성하면 된다.

 

* 채널(Channel) 공부하며 채널 기반인 NIO를 설명하고자 한다. 

 

1). NIO

• 자바 4부터 새로운 입출력(NIO : New Input/Output)이라는 뜻에서 java.nio 패키지가 포함되었다.
• 자바 7로 버전업 하면서 자바 IO와 NIO 사이의 일관성 없는 클래스 설계를 바로 잡고, 비동기 채널 등의 네트워크 자원을 대폭 강화한 NIO.2 API가 추가되었다.
• NIO.2는 기존 java.nio의 하위 패키지(java.nio.channels, java.nio.charset, java.nio.file)에 통합되었다.

NIO 패키지	포함되어 있는 내용
java.nio	다양한 버퍼 클래스
java.nio.channels	파일 채널, TCP 채널, UDP 채널 등의 클래스
java.nio.channels.spi	java.nio.channels 패키지를 위한 서비스 제공자 클래스
java.nio.charset	문자셋, 인코더, 디코더 API
java.nio.charset.spi	java.nio.charset 패키지를 위한 서비스 제공자 클래스
java.nio.file	파일 및 파일 시스템에 접근하기 위한 클래스
java.nio.file.attribute	파일 및 파일 시스템의 속성에 접근하기 위한 클래스
java.nio.file.spi	java.nio.file 패키지를 위한 서비스 제공자 클래스

 

2). IO와 NIO의 차이점

 

• IO와 NIO는 데이터를 입출력한다는 목적은 동일하지만, 방식에 있어서 차이가 난다.

구분	IO	NIO
입출력 방식	스트림 방식	채널 방식
버퍼 방식	넌 버퍼(non-buffer)	버퍼(buffer)
비동기 방식	지원 안함	지원
블로킹 / 넌블로킹 방식	블로킹 방식만 지원	블로킹 / 넌블로킹 방식 모두 지원

 

3). 스트림 vs 채널

 

- 스트림

• IO는 스트림(Stream) 기반이다.
• 스트림은 입력 스트림과 출력 스트림으로 구분되어 있기 때문에 데이터를 읽기 위해서는 입력 스트림을 데이터를 출력하기 위해서는 출력 스트림을 생성해야 한다.
• 예로 데이터를 읽고 저장하는 작업을 하기 위해서는 FileInputStream과 FileOutputStream을 별도로 생성해야 한다.

- 채널

• NIO는 채널(Channel) 기반이다.
• 채널은 스트림과 달리 양방향으로 입력과 출력이 가능하다. 때문에 입력과 출력을 위해 별도의 채널을 만들 필요가 없다.
• 예로 데이터를 읽고 저장하는 작업을 하기 위해서는 FileChannel 하나만 생성하면 된다.

 

4). 넌 버퍼 vs 버퍼

 

- 넌 버퍼(IO)

• IO에서는 출력 스트림이 1바이트를 쓰면 입력 스트림이 1바이트를 읽는다. 이런 시스템은 대체로 느리다.
• 버퍼를 사용해 복수 개의 바이트를 한꺼번에 입력받고 출력하는 것이 빠른 성능을 낸다.
• IO는 버퍼를 제공해주는 보조 스트림인 BufferedInputStream, BufferdOutputStream을 연결해 사용하기도 한다.
• IO는 스트림에서 읽은 데이터를 즉시 처리한다. 따라서 스트림으로부터 입력된 전체 데이터를 별도로 저장하지 않으면, 입력된 데이터의 위치를 이동해 가며 자유롭게 이용할 수 없다.

- 버퍼(IO + 보조 스트림, NIO)

• NIO는 기본적으로 버퍼를 사용해서 입출력을 하기 때문에 IO보다는 입출력 성능이 좋다.
• 채널은 버퍼에 저장된 데이터를 출력하고, 입력된 데이터를 버퍼에 저장한다.
• NIO는 읽은 데이터를 부조건 버퍼에 저장하기 때문에 버퍼 내에서 데이터의 위치를 이동해 가면서 필요한 부분만 읽고 쓸 수 있다.

IO, NIO

 

5). 블로킹 vs 넌 블로킹

 

- 블로킹(blocking) (IO, NIO)

• IO는 블로킹된다.
• 입력 스트림의 read() 메서드를 호출하면 데이터가 입력되기 전까지 스레드는 블로킹(대기 상태)된다.
• 출력 스트림의 write() 메서드를 호출하면 데이터가 출력되기 전까지 스레드는 블로킹된다.
• IO 스레드가 블로킹되면 다른 일을 할 수 없고 블로킹을 빠져나오기 위해 인터럽트(interrupt) 또한 할 수 없다.
• 블로킹을 빠져나오는 유일한 방법은 스트림을 닫는 것이다.

- 넌 블로킹(NIO)

• 블로킹의 반대 개념으로 입출력 작업 시 스레드가 블로킹되지 않는 것을 말한다.
• NIO는 블로킹과 넌블로킹 특징을 모두 가지고 있다.
• IO 블로킹과의 차이점은 NIO 블로킹은 스레드를 인터럽트함으로써 빠져나올 수가 있다.
• NIO의 넌블로킹은 입출력 작업 준비가 완료된 채널만 선택해서 작업 스레드가 처리하기 때문에 작업 스레드가 블로킹되지 않는다.
  • 작업 준비 완료 : 지금 바로 읽고 쓸 수 있는 상태
• NIO 넌블로킹의 핵심 객체는 멀티플랙서(multiplexor)인 셀렉터(Selector)이다. 셀렉터는 복수 개의 채널 중에서 준비 완료된 채널을 선택하는 방법을 제공해준다.

6). IO와 NIO의 선택

 

- NIO

• NIO는 불특정 다수의 클라이언트 연결 또는 멀티 파일들을 넌블로킹이나 비동기로 처리할 수 있기 때문에 과도한 스레드 생성을 피하고 스레드를 효과적으로 재사용이 가능하다는 큰 장점이 있다.
• NIO는 운영체제의 버퍼(다이렉트 버퍼)를 이용한 입출력이 가능하기 때문에 입출력 성능이 향상된다.
• NIO는 연결 클라이언트 수가 많고, 하나의 입출력 처리 작업이 오래 걸리지 않는 경우에 사용하는 게 좋다.
  • 스레드에서 입출력 처리가 오래 걸린다면 대기하는 작업의 수가 늘어나기 때문에 제한된 스레드로 처리하는 것이 오히려 불리할 수 있다.

- IO

• IO는 대용량 데이터를 처리할 경우 NIO보다 유리하다.
  • NIO는 버퍼의 할당 크기도 문제가 되고, 모든 입출력 작업에 버퍼를 무조건 사용해야 하므로 받은 즉시 처리하는 IO보다는 좀 더 복잡하다.
• 연결 클라이언트 수가 적고, 전송되는 데이터가 대용량이면서 순차적으로 처리될 필요성이 있을 경우에는 IO로 서버를 구현하는 것이 좋다.

---

 

4. Byte

 

 

 

바이트 기반 스트림

 

• 자바에서의 스트림(Stream)은 기본적으로 바이트 단위로 데이터를 전송한다.
• 그림, 멀티미디어, 문자 등 모든 종류의 데이터를 받고 보낼 수 있다.

입출력 대상	입력 스트림	출력 스트림
파일	FileInputStream	FileOutputStream
메모리	ByteArrayInputStream	ByteArrayOutputStream
프로세스	PipedInputStream	PipedOutputStream
오디오 장치	AudioInputStream	AudioOutputStream

---

 

5. Character

 

1). 문자 기반 스트림

 

기본적으로 스트림은 바이트 단위로 데이터를 전송한다.

하지만 자바에서는 가장 작은 타입이 char 형인 2바이트 이므로, 1바이트씩 전송되는 바이트 기반 스트림으로는 원활한 처리가 힘들다

따라서 자바에서는 문자 기반의 스트림도 별도로 제공한다.

 

• InputStream -> Reader, OutputStream -> Writer로 변경해 사용할 수 있다.
• 오로지 문자만 받고 보낼 수 있도록 특화되어 있다.

입출력 대상	입력 스트림	출력 스트림
파일	FileReader	FileWriter
메모리	CharArrayReader	CharArrayWriter
프로세스	PipedReader	PipedWriter
문자열	StringReader	StringWriter

 

2). 문자 기반의 보조 스트림

 

• 소스 스트림이 바이트 기반 스트림(InputStream, OutputStream, FileInputStream, FileOutputStream)이면서 입출력 데이터가 문자라면 문자 단위로 입출력을 하며 문자셋의 종류를 지정할 수 있는 Reader와 Wrtier로 변환해서 사용하는 것을 고려할 수 있다.

입력 스트림	출력 스트림	설명
FilterReader	FilterWriter	필터를 이용한 입출력
BufferedReader	BufferedWriter	버퍼를 이용한 입출력
PushbackReader	X	다른 입력 스트림에 버퍼를 이용하여 push back이나 unread와 같은 기능을 추가
X	PrintWriter	다른 출력 스트림에 버퍼를 이용하여 다양한 데이터를 출력하기 위한 기능을 추가

---

 

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

 

• 자바에서는 콘솔과 같은 표준 입출력 장치를 위해 System이라는 표준 입출력 클래스를 정의하고 있다.
• java.lang 패키지에 포함
• 표준 입출력 스트림은 자바가 자동으로 생성하므로, 개발자는 별도의 스트림을 생성하지 않아도 사용할 수 있다.

 

클래스 변수	입출력 스트림	설명
System.in	InputStream	콘솔로부터 데이터를 입력 받는다.
System.out	PrintStream	콘솔로 데이터를 출력한다.
System.err	PrintStream	콘솔로 데이터(에러)를 출력한다

 

표준 입출력의 대상 변경

 

• 위의 세 가지 입출력 스트림은 콘솔과 같은 표준 입출력 장치를 대상으로 한다. 이와 같은 스트림에 아래의 System 메서드를 사용하면 스트림의 대상을 다른 입출력 장치로 변경할 수 있다.

메소드	설명
static void setIn(InputStream in)	입력 스트림의 대상을 전달된 입력 스트림으로 변경함
static void setOut(PrintStream out)	출력 스트림의 대상을 전달된 출력 스트림으로 변경함
static void setErr(PrintStream err)	출력 스트림의 대상을 전달된 출력 스트림으로 변경함

---

 

7. 파일 읽고 쓰기

 

1). File

 

java.io 에서 제공하는 File 클래스는 파일의 메타데이터를 얻는 기능, 파일 생성 및 삭제 등과 같은 기능을 제공한다.

하지만 파일의 데이터를 읽고 쓰는 기능은 지원하지 않기 때문에 파일의 입출력은 스트림을 사용해야 한다.

 

• 아래는 File 객체를 생성하는 코드이다.
• 디렉터리 구분자는 운영체제마다 조금씩 다르다. 윈도는 '\', '/'를 사용할 수 있고, 유닉스나 리눅스는 '/'를 사용한다.
• File.separator 상수를 출력해보면 해당 운영체제에서 사용하는 디렉터리 구분자를 확인할 수 있다.
• File 객체를 생성했다고 파일이나 디렉터리가 생성되는 것이 아니며 해당 경로가 유효하지 않더라도 컴파일 에러나 예외가 발생하지 않는다.

 

    void file(){
        File file = new File("E:\\test.txt");
        File file2 = new File("E:/test.txt");
    }

 

2). FileInputStream

 

• FileInputStream 클래스는 파일로부터 바이트 단위로 읽어 들일 때 사용하는 바이트 기반 입력 스트림이다.
• 바이트 단위로 읽기 때문에 모든 종류의 파일을 읽을 수 있다.
• InputStream의 하위 클래스로 사용법은 InputStream과 동일하다.

void fileInput(){
        try {
            // 1 - String 생성 
            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("E:/test.txt");

            // 2 - File 객체로 생성
            File file = new File("E:/test.txt");
            FileInputStream fileInputStream1 = new FileInputStream(file);

        } catch (FileNotFoundException fileNotFoundException) {
            fileNotFoundException.printStackTrace();
        }
    }

 

3). FileOutputStream

 

• 바이트 단위로 데이터를 파일에 저장할 때 사용하는 바이트 기반 출력 스트림.
• 바이트 단위로 저장하기 때문에 모든 종류의 데이터를 파일로 저장할 수 있다.
• OutputStream의 하위 클래스로 사용법은 OutputStream과 동일하다.
• 주의할 점은 파일이 이미 존재할 경우, 데이터를 출력하면 파일을 덮어쓰게 되므로, 기존의 내용은 사라지게 된다.
  • 기존의 파일 내용 끝에 데이터를 추가할 경우 3 과같이 FileOutputStream 생성자의 두 번째 매개 값을 true로 주면 된다.

void fileOutput(){
        try {
            // 1 - String
            FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("E:/testOut.txt");

            // 2 - File 객체 사용
            File file = new File("E:/testOut.txt");
            FileOutputStream outputStream1 = new FileOutputStream(file);

            // 3 - 덮어쓰지 않고 데이터 추가(true)
            FileOutputStream outputStream2 = new FileOutputStream("E:/testOut.txt", true);
        } catch (FileNotFoundException fileNotFoundException) {
            fileNotFoundException.printStackTrace();
        }
    }

 

4). FileReader/FileWriter

 

• 문자 기반 스트림
• 문자 단위로 읽고/저장하기 때문에 텍스트가 아닌 그림, 오디오, 비디오 같은 파일은 읽거나 저장할 수 없다.
• FileReader -> Reader의 하위 클래스로 Reader와 사용법 동일
• FileWriter -> Writer의 하위 클래스로 Writer와 사용법 동일

---

❗️ Refer.

http://www.tcpschool.com/java/java_io_file
이것이 자바다