스트림은 주의해서 사용하라 - [7장. 람다와 스트림(아이템45)]

📙 1. 스트림의 특징

  다량의 데이터 처리 작업(순차적이든 병렬적이든)을 돕고자 자바 8에 스트림 API가 추가되었다. 스트림의 특징은 아래와 같다.

1. 스트림 안의 데이터 원소들은 객체 참조나 기본 타입 값(int, long, double)이다.
2. 스트림 파이프라인은 소스 스트림에서 시작해 종단 연산(terminal operation)으로 끝나며, 그 사이에 하나 이상의 중간 연산(intermediate operation)이 있을 수 있다.
     각 중간 연산은 스트림을 어떠한 방식으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 각 원소에 함수를 적용하거나 특정 조건을 만족 못하는 원소를 걸러낼 수 있다.
3. 스트림 파이프라인은 지연 평가(lazy evaluation)된다.
     평가는 종단 연산이 호출될 때 이뤄지며, 종단 연산에 쓰이지 않는 데이터 원소는 계산에 쓰지이 않는다. 이러한 지연 평가가 무한 스트림을 다룰 수 있게 해주는 열쇠다.
4. 스트림 API는 메서드 연쇄를 지원하는 플루언트 API(fluent API)다.
     파이프라인 하나를 구성하는 모든 호출을 연결하여 단 하나의 표현식으로 완성할 수 있다.
5. 기본적으로 스트림 파이프라인은 순차적으로 진행된다.

 

  위에서 살펴본 것처럼 스트림은 매우 다양한 기능들을 제공한다. 스트림 API를 사용하여 모든 계산을 해낼 수 있다.

  하지만, 스트림을 잘못 사용하면 오히려 읽기 어렵고 유지보수도 힘들어진다. (억지로 스트림을 사용했던 코드가 너무 복잡하여 다시 반복문으로 변경했던 기억이 있다.)

  이번 글을 통해 스트림과 반복문 중 언제 어떠한 것을 사용해야 하는지 한번 살펴보도록 하자.

 

📙 2. 스트림과 반복에 대해서 참고할만한 지침

  스트림 파이프라인은 되풀이되는 계산을 함수 객체(주로 람다나 메서드 참조)로 표현한다. 반면 반복 코드에서는 코드 블록을 사용해 표현한다.

  스트림에서 반복문으로, 반복문에서 스트림으로 변경할 수 있다. 하지만, 아래와 같이 함수 객체로는 할 수 없지만 코드 블록으로는 할 수 있는 것들이 있다.

• 코드 블록에서는 범위 안의 지역변수를 읽고 수정할 수 있다. 하지만 람다에서는 final이거나 사실상 final인 변수만 읽을 수 있고, 지역변수를 수정하는 건 불가능하다.
• 코드 블록에서는 return 문을 사용해 메서드에서 빠져나가거나, break나 continue 문으로 블록 바깥의 반복문을 종료하거나 반복을 한 번 건너뛸 수 있다. ㅁ또한, 메서드 선언에 명시된 검사 예외를 던질 수 있다. 하지만 란다로는 이 중 어떤 것도 할 수 없다.

 

  반복문보다 스트림에 더욱 알맞은 상황은 다음과 같다.

• 원소들의 시퀀스를 일관되게 변환한다.
• 원소들의 시퀀스를 필터링한다.
• 원소들의 시퀀스를 하나의 연산을 사용해 결합한다. (더하기, 연결하기, 최솟값 구하기 등)
• 원소들의 시퀀스를 컬렉터에 모은다. (아마도 공통된 속성을 기준으로 묶어가며)
• 원소들의 시퀀스에서 특정 조건을 만족하는 원소를 찾는다.

 

📙 3. 스트림으로 처리하기 어려운 경우

  스트림으로 처리하기 어려운 상황과 그에 대한 해결책에 대해서 알아보자.

  대표적인 상황으로는, 한 데이터가 파이프라인의 여러 단계(stage)를 통과할 때 이 데이터의 각 단계에서의 값들에 동시에 접근하기 어려운 경우다. 간단하게 말하면, 이미 지나친 단계에 대해서 그 값에 접근하기 어렵다는 것이다.

  해결책으로는 앞 단계의 값이 필요할 때 매핑을 거꾸로 수행하는 방법이 있다. (중간 값들을 저장하는 방법이 있긴 하지만 그리 적절한 방법은 아니다.)

 

  다음과 같이 처음 5개의 메르센 소수(Mersenne prime)를 출력한다고 해보자. 메르센 수는 2^p - 1의 형태의 수다. 메르센 소수란 p가 소수이면 해당 메르센 수도 소수일 수 있다는 것이다.

private static final int COUNT = 5;

public static void main(String[] args) {

    primes().map(p -> TWO.pow(p.intValueExact()).subtract(ONE))
            .filter(mersenne -> mersenne.isProbablePrime(50))
            .limit(COUNT)
            .forEach(System.out::println);
    // 결과값
    // 3 
    // 7 
    // 31 
    // 127 
    // 8191
}

static Stream<BigInteger> primes() {
    return Stream.iterate(TWO, BigInteger::nextProbablePrime);
}

  만약, 메르센 소수가 아니라 지수(p)를 출력하려면 어떻게 해야 할까? 아래와 같이 중간 연산에서 수행한 매핑을 거꾸로 수행해 메르센 수의 지수(p)를 쉽게 계산할 수 있다.

private static final int COUNT = 5;

public static void main(String[] args) {

    primes().map(p -> TWO.pow(p.intValueExact()).subtract(ONE))
            .filter(mersenne -> mersenne.isProbablePrime(50))
            .limit(COUNT)
            .forEach(mp -> System.out.println(mp.bitLength() + ": " + mp));
    
    // 결과값
    // 2: 3
    // 3: 7
    // 5: 31
    // 7: 127
    // 13: 8191
}

static Stream<BigInteger> primes() {
    return Stream.iterate(TWO, BigInteger::nextProbablePrime);
}

('isProbablePrime(50)'에 있는 매직넘버 50은 소수성 검사의 정확도를 높여주는 값이다. 매직넘버 10을 넣어도 소수일 확률이 99%가 넘지만, 더 높은 정확도를 위하여 50을 넣어주었다.)

 

📙 4. 스트림과 반복 중 선택이 어려운 경우

  지금까지 스트림과 반복코드를 언제 사용하는 게 더 나은지 알아보았다.

  하지만, 스트림과 반복 중 어느 쪽을 써야 할지 바로 알기 어려운 작업도 많다. 데카르트 곱을 이용하여 카드의 모든 조합을 계산하는 작업을 생각해 보자. 카드는 숫자(rank)와 무늬(suit)를 묶은 불변 값 클래스이고, 숫자와 무늬는 모두 열거타입이라고 하자.

// 반복문을 사용하는 경우
public static void main(String[] args) {
    private static List<Card> newDeck() {
        List<Card> result = new ArrayList<>();
        for(Suit suit : Suit.values())
            for(Rank rank : Rank.values())
                result.add(new Card(suit, rank));

        return result;
    }
}

// 스트림을 사용하는 경우
public static void main(String[] args) {
    private static List<Card> newDeck() {
        return Stream.of(Suit.values())
                .flatMap(suit ->
                        Stream.of(Rank.values())
                                .map(rank -> new Card(suit, rank)))
                .collect(toList());
    }
}

  어느 쪽이 더 나은 것일까? 결국은 개인 취향과 프로그래밍 환경의 문제다. 처음 방식은 더 단순하고 더 자연스러워 보일 것이다. 하지만, 스트림 방식이 익숙하다면 두 번째 방식도 편하게 생각하는 프로그래머가 있을 것이다.

 

  어느 쪽을 선택하는 확고부동한 규칙은 없지만 이전에 살펴본 것처럼 참고할 만한 지침 정도는 존재한다. 스트림과 반복 중 어느 쪽이 나은지 확신하기 어렵다면 둘 다 해보고 더 나은 쪽을 선택하도록 하자.

 

해당 글은 Joshua Bloch 님의 'Effective Java 3/E'를 참고하였습니다.