[Java] Java IO, NIO

• 이 글은 "자바 온라인 스터디"에서 공부한 내용을 정리하여 작성하였습니다.

Java IO

모든 프로그램에서는 데이터 주고 받는 과정은 필연적입니다. 사용자가 마우스나 키보드를 통해 직접 입력을 하여 프로그램에게 전송을 하거나, 프로그램에서 사용자에게 모니터나 파일 등으로 보내어 출력할 수도 있습니다. 자바에서는 데이터를 스트림(stream) 형태로 입출력을 하게 됩니다. 스트림이란 출발점에서 도착점까지 연속적으로 흘러간다는 개념을 뜻합니다.

https://www.logicbig.com/tutorials/core-java-tutorial/java-util-stream/stream-cheat-sheet.html

하나의 스트림을 가지고 입력과 출력을 동시에 할 수는 없습니다. 프로그램이 송신측인지, 수신측인지에 따라 스트림의 종류가 결정됩니다. 프로그램이 데이터를 수신하게 될 때는 InputStream을 사용하고, 프로그램이 데이터를 송신할 때는 OutputStream을 사용하게 됩니다.

https://coding-factory.tistory.com/281

자바의 기본적인 데이터 입출력은 Java.io 패키지에서 제공합니다. 표에서 보이는 것처럼 Java.io 패키지에는 File 클래스와 다양한 입출력 스트림 클래스를 제공합니다.

InputStream

https://velog.io/@ljs0429777/Java-IO

InputStream은 바이트 기반 입력 스트림의 최상위 클래스로 abstract class입니다. 모든 바이트 기반 입력 스트림은 InputStrem 클래스를 상속받아서 메소드를 재정의하여 사용합니다.

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class IOstream {
    public static void main(String[] args) {

        FileInputStream fileInputStream = null;
        String inputFilePath = "src/IOExample.java";

        try {
            fileInputStream = new FileInputStream(inputFilePath);
            int i = 0;

            do{
                i = fileInputStream.read();
                System.out.print((char)i);
            }while(i!=-1);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

OutputStream

https://velog.io/@ljs0429777/Java-IO

OutputStream도 마찬가지로 바이트 기반 출력 스트림의 최상위 클래스로 abstract class입니다. 모든 바이트 기반 출력 스트림도 이 클래스를 상속받아서 메소드를 재정의하여 사용합니다.

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class IOstream {
    public static void main(String[] args) {

        FileInputStream fileInputStream = null;
        FileOutputStream outputStream = null;
        String inputFilePath = "src/IOExample.java";        // 파일명
        String outputFilePath = "src/NewIOExample.java";        // 파일명

        try {
            fileInputStream = new FileInputStream(inputFilePath);
            byte[] b = new byte[10];
            System.out.println(fileInputStream.read(b));
            System.out.println((new String(b)));

            outputStream  = new FileOutputStream(outputFilePath);
            outputStream.write(b);

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

Character Stream

위에 설명을 한 InputStream과 OutputStream 모두 바이트 기반으로 입출력 스트림의 최상위 클래스로 바이트 단위로 데이터를 주고 받습니다. 데이터 전송하는 입출력 대상에 따라 제공하는 클래스만 다를 뿐입니다. Charater Stream은 문자 단위 기반 입출력으로 Reader와 Writer 클래스가 최상위 클래스입니다. 문자 데이터를 입출력하기 위해 사용하는 문자기반 스트림입니다.

https://velog.io/@ljs0429777/Java-IO/

• 참고 Java Doc Reader, Writer

import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.io.Reader;

public class IOstream {
    public static void main(String[] args) {

        Reader reader = null;
        String inputFilePath = "src/IOExample.java";

        try {
            reader = new FileReader(inputFilePath);
            int data = 0;

            do{
                data =  reader.read();
                System.out.print((char)data);
            }while(data!=-1);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

표준 스트림

Java에서는 System 클래스의 in, out, err를 이용하여 키보드를 통한 입출력 방법인 표준 입출력을 제공합니다. System 클래스는 자바 가상 머신이 구성하고 있는 표준 장치 클래스입니다. 자바 가상 머신은 그 자체가 하나의 컴퓨터 플랫폼이기 때문에 독립적으로 동작하기 위해서 표준 입력과 표준 출력이 System 클래스에 등록되어 있습니다.

1. System.in

System.in은 inputstream 으로 실제 inputstream은 추상클래스여서 객체를 생성할 수 없지만 System.in은 실제 객체가 존재하여 입력을 받을 수 있습니다.

2. System.out

Systemout은 표준 출력장치고 PrintStream 타입입니다. PrintStream은 OutputStream 클래스를 상속받아 Exception을 안전하게 처리한 메소드로만 구성되어 있습니다. 그 이유로 System.out으로 출력 시 예외처리를 하지 않아도 됩니다.

3. System.err

System.err 는 표준 에러 출력 장치로 PrintStream 타입에 해당됩니다. 일반적으로 에러가 없을 경우는 System.out과 동일하지만, 에러가 발생할 경우 전달해야할 내용은 System.err로 나갑니다.

import java.io.IOException;

public class SystemStream {
    public static void main(String[] args) {

        int count = 0;
        int data;
        try{
            while((data = System.in.read())!=-1){
                count++;
                System.out.write(data);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.err.println(e);
        }

        System.out.println();
        System.out.println("total bytes : "+count);
    }
}

• 참고(https://hyeonstorage.tistory.com/235)

Java NIO

• 참조(https://ohjongsung.io/2019/09/07/java-nio-%ED%86%BA%EC%95%84%EB%B3%B4%EA%B8%B0)

자바의 NIO(New I/O)를 설명하기 전에 NIO가 나타나게 된 배경을 이해해야 합니다. Java I/O의 큰 단점인 오랜시간은 자바언어의 특성으로 커널 버퍼에 직접 접근할 수 없다는 것과 I/O 프로세스를 거치는 동안 작업 요청한 쓰레드는 블록킹된다는 것입니다.

https://ohjongsung.io/2019/09/07/java-nio-%ED%86%BA%EC%95%84%EB%B3%B4%EA%B8%B0/

자바 I/o 프로세스 과정

1. 프로세스가 file을 읽기 위해 kernel 명령을 전달합니다.
2. Kernel은 system call(read())을 사용합니다.
3. 디스크 컨트롤러가 물리적 디스크로부터 파일을 읽어옵니다.
4. DMA(Direct Memory Access)을 이용하여 커널 버퍼로 복사합니다.
5. Process 내부 버퍼로 복사합니다.

기존 I/O의 문제

• JVM 내부 버퍼로 복사시, CPU 연산이 필요한데 CPU 연산은 리소스를 크게 잡아먹게 된다.
• Java I/O 내부 버퍼로 사용한 데이터 변수는 GC 대상이 되는데 이 역시도 큰 오버헤드 요소입니다.
• I/O 요청된 쓰레드는 블록킹이 되어 모든 데이터를 버퍼로 복사하는데까지 기다려야합니다. 멀티 쓰레드를 지원할지라도 수많은 요청 시에 Context-Swithing애 따른 오버헤드는 클 것입니다.

Buffer I/O

IO에서의 입출력 스트림은 한 바이트씩 읽고 출력을 하게 됩니다. cpu의 속도가 빠르고 입출력 속도는 느리지만 이렇게 입출력을 받게 되면 cpu의 효율을 최대한으로 이끌어 낼수가 없습니다. 따라서 버퍼를 사용해서 여러개의 바이트를 한꺼번에 입력받고 저장했다가 한번에 출력하는 형태로 사용하여 성능을 높입니다. I/O는 기본적으로 버퍼를 지원하지 않기 때문에, 버퍼 제공해주는 스트림인 BufferedInputStream과 BufferedOutputStream을 이용합니다. NIO에는 기본적으로 버퍼가 지원되며, 시스템 메모리를 직접 사용할 수 있는 Buffer 클래스가 도입되었습니다.

Channel I/O

• 참조(https://adrian0220.tistory.com/150)

기존 I/O는 blocking 방식이기 떄문에 입력 스트림, 출력 스트림이 달랐습니다. 하지만 Java NIO는 Non-blocking 방식이라서 데이터를 주고 받기 위해서 스레드와 데이터가 들어간 버퍼 사이의 일종의 터널을 만들어 줘야합니다. 이 역할을 채널이 하게 됩니다.

https://adrian0220.tistory.com/150/

• Socket과 연결되어 입출력 역할을 수행하고, 동시에 할 수 있습니다.
• Selector와 연결되어 있고, 하나의 Selector에는 다수의 채널이 존재합니다.

selector

하나의 스레드의 여러 채널이 연결될 수 있기 때문에 어떤 I/O와 입출력을 할 지 정해야 합니다. 이럴 때 Selector를 추가하여 어느 I/O에 연결할지를 정할 수 있게 됩니다. Selector는 채널을 선택하는 기능을 하고, 선택된 채널이 스레드와 버퍼를 연결시켜 I/O를 진행하는 방식이 NIO의 메커니즘이라고 합니다.