[Java] 64. 스트림 API2 - 기능

 

스트림 API2 - 기능

#Java/adv3

스트림 생성

• 스트림이 제공하는 다양한 스트림 생성, 중간 연산, 최종 연산을 자세히 알아보자.

생성 방법	코드 예시	특징
컬렉션	list.stream()	List, Set 등 컬렉션에서 스트림 생성
배열	Arrays.stream(arr)	배열에서 스트림 생성
Stream.of(...)	Stream.of("a", "b", "c")	직접 요소를 입력해 스트림 생성
무한 스트림(iterate)	Stream.iterate(0, n -> n + 2)	무한 스트림 생성(초깃값 + 함수)
무한 스트림(generate)	Stream.generate(Math::random)	무한 스트림 생성 (Supplier 사용)

• 컬렉션, 배열, Stream.of 은 기본적으로 유한한 데이터 소스로부터 스트림을 생성한다.
• iterate, generate는 별도의 종료 조건이 없으면 무한히 데이터를 만들어내는 스트림을 생성한다.
  • 따라서 필요한 만큼만(limit) 사용해야 한다. 그렇지 않으면 무한 루프처럼 계속 스트림을 뽑아내므로 주의해야 한다.
  • infiniteStream.limit(3).forEach(System.out::println);
• 스트림은 일반적으로 한 번 사용하면 재사용할 수 없다(소진되면 끝). 따라서, stream()으로 얻은 스트림을 여러 번 순회하려면, 다시 스트림을 생성해야 한다.

중간 연산

스트림 파이프라인에서 데이터를 변환, 필터링, 정렬 등을 하는 단계이다.

• 여러 중간 연산을 연결하여 원하는 형태로 데이터를 가공할 수 있다.
• 결과가 즉시 생성되지 않고, 최종 연산이 호출될 때 한꺼번에 처리된다는 특징이 있다(지연 연산).

연산	설명	예시
filter	조건에 맞는 요소만 남김	stream.filter(n -> n > 5)
map	요소를 다른 형태로 변환	stream.map(n -> n * 2)
flatMap	중첩 구조 스트림을 일차원으로 평탄화	stream.flatMap(list -> list.stream())
distinct	중복 요소 제거	stream.distinct()
sorted	요소 정렬	stream.sorted() / stream.sorted(Comparator.reverseOrder())
peek	중간 처리 (로그, 디버깅, (중간에 뭔가 찍기)) peek는 데이터를 변경하지 않는다.	stream.peek(System.out::println)
limit	앞에서 N개의 요소만 추출	stream.limit(5)
skip	앞에서 N개의 요소를 건너뛰고 이후 요소만 추출	stream.skip(5)
takeWhile	조건을 만족하는 동안 요소 추출 (Java 9+) 정렬된 데이터에 효과적.	stream.takeWhile(n -> n < 5)
dropWhile	조건을 만족하는 동안 요소를 버리고 이후 요소 추출 (Java 9+)	stream.dropWhile(n -> n < 5)

FlatMap

스트림 중간 연산 중 하나

• map 은 각 요소를 하나의 값으로 변환하지만, flatMap 은 각 요소를 스트림(또는 여러 요소)으로 변환한 뒤, 그 결과를 하나의 스트림으로 평탄화(flatten)해준다.

리스트 안의 리스트 중첩 구조인 경우

[
	[1, 2], 
	[3, 4], 
	[5, 6]
]

flatMap 을 사용하면 이 데이터를 다음과 같이 쉽게 평탄화(flatten)할 수 있다.
[1, 2, 3, 4, 5, 6]

// map
List<Stream<Integer>> mapResult = outerList.stream()
        .map(list -> list.stream())
        .toList();
System.out.println("mapResult = " + mapResult);

// flatMap
List<Integer> flatMapResult = outerList.stream()
        .flatMap(list -> list.stream())
        .toList();
System.out.println("flatMapResult = " + flatMapResult);

• map의 경우 먼저 List<List<Integer>>를 Stream<List<Integer>>로 만든 뒤, 스트림의 각 원소인 List<Integer>를 stream()으로 변환한 다음, 다시 스트림을 List로 변환해 최종적으로 List<Stream<Integer>>로 변환했다.
  • map 을 쓰면 이중 구조가 그대로 유지된다.
• flatMap 을 쓰면 내부의 Stream 들을 하나로 합쳐 List<Integer>를 얻을 수 있다.

• flatMap(list -> list.stream())
  • Stream<List<Integer>> Stream<Integer>
  • flatMap() 을 호출하면 list -> list.stream() 이 호출되면서 내부에 있는 3개의 List<Integer> 를 Stream<Integer> 로 변환한다.
  • flatMap() 은 Stream<Integer> 내부의 값을 꺼내서 외부 Stream 에 포함한다. 여기서는 1, 2, 3, 4, 5, 6의 값을 꺼낸다.
  • 이렇게 꺼낸 1, 2, 3, 4, 5, 6 값 각각이 외부 Stream 에 포함된다. 따라서 Stream<Integer> 가 된다.

정리

• flatMap 은 중첩 구조(컬렉션 안의 컬렉션, 배열 안의 배열 등)를 일차원으로 펼치는 데 사용된다.
• 예를 들어, 문자열 리스트들이 들어있는 리스트를 평탄화하면, 하나의 연속된 문자열 리스트로 만들 수 있다.

Optional 간단 설명

자바 Optional 클래스

package java.util;

public final class Optional<T> {
    private final T value;
    // ...
    public boolean isPresent() {
        return value != null;
    }

    public T get() {
        if (value == null) {
            throw new NoSuchElementException("No value present");
        }
        return value;
    }
    // ...
}

• Optional 은 내부에 하나의 값(value)을 가진다.
• isPresent() 를 통해 그 값(value)이 있는지 없는지 확인할 수 있다.
• get() 을 통해 내부의 값을 꺼낼 수 있다. 만약 값이 없다면 예외가 발생한다.
• Optional 은 이름 그대로 필수가 아니라 옵션이라는 뜻이다.
  • 이 말은 옵셔널 내부에 값(value)이 있을 수도 있고 없을 수도 있다는 뜻이다.

Optional<Integer> optional1 = Optional.of(10);
if (optional1.isPresent()) { // 값이 있는지 확인할 수 있는 안전한 메서드 제공
    Integer i = optional1.get(); // Optional 안에 있는 값을 획득
    System.out.println("i = " + i);
}

Optional<Object> optional2 = Optional.ofNullable(null);
if (optional2.isPresent()) {
    Object o = optional2.get();
    System.out.println("o = " + o);
}
// 값이 없는 Optional에서 get()을 호출하면 NoSuchElementException이 발생한다.
Object o2 = optional2.get();

• Optional 은 내부에 값을 담아두고, 그 값이 null 인지 아닌지를 체크할 수 있는 isPresent() 와 같은 안전한 체크 메서드를 제공한다. 따라서 안전한 체크 메서드를 통해 체크하고 난 다음에 값이 있을 때만 get() 으로 값을 꺼내는 방식으로 사용할 수 있다.
• Optional 은 null 값으로 인한 오류(NullPointerException)를 방지하고, 코드에서 "값이 없을 수도 있다"는 상황을 명시적으로 표현하기 위해 사용된다. 간단히 말해, null 을 직접 다루는 대신 Optional 을 사용하면 값의 유무를 안전하게 처리할 수 있어 코드가 더 명확하고 안정적으로 작성할 수 있다.

최종 연산

• 스트림 최종 연산은 스트림 파이프라인의 끝에 호출되어 실제 연산을 수행하고 결과를 만들어낸다. 최종 연산이 실행된 후에 스트림은 소모되어 더 이상 사용할 수 없다.

연산	설명	예시
collect	Collector를 사용하여 결과 수집 (다양한 형태로 변환 가능)	stream.collect(Collectors.toList())
toList (Java16+)	스트림을 불변 리스트로 수집	stream.toList()
toArray	스트림을 배열로 변환	stream.toArray(Integer[]::new)
forEach	각 요소에 대해 동작 수행 (반환값 없음)	stream.forEach(System.out::println)
count	요소 개수 반환	long count = stream.count();
reduce	누적 함수를 사용해 모든 요소를 단일 결과로 합침. (초기값을 지정해줄 수 있음. 초깃값이 없으면 Optional로 반환)	int sum = stream.reduce(0, Integer::sum);
min / max	최솟값, 최댓값을 Optional로 반환	stream.min(Integer::compareTo), stream.max(Integer::compareTo)
findFirst	조건에 맞는 첫 번째 요소 (Optional 반환)	stream.findFirst()
findAny	조건에 맞는 아무 요소나 (Optional 반환) (병렬 스트림에서 효율적으로 동작할 수 있다)	stream.findAny()
anyMatch	하나라도 조건을 만족하는지 (boolean)	stream.anyMatch(n -> n > 5)
allMatch	모두 조건을 만족하는지 (boolean)	stream.allMatch(n -> n > 0)
noneMatch	하나도 조건을 만족하지 않는지 (boolean)	stream.noneMatch(n -> n < 0)

정리

• 최종 연산이 호출되면, 그 동안 정의된 모든 중간 연산이 한 번에 적용되어 결과를 만든다.
• 최종 연산을 한 번 수행하면, 스트림은 재사용할 수 없다.
• reduce 를 사용할 때 초깃값을 지정하면, 스트림이 비어 있어도 초깃값이 결과가 된다. 초깃값이 없으면 Optional 을 반환한다.
  • 초깃값이 없는데, 스트림이 비어 있을 경우 빈 Optional (Optional.empty())을 반환한다.
• findFirst(), findAny() 도 결과가 없을 수 있으므로 Optional을 통해 값 유무를 확인해야 한다.

기본형 특화 스트림:

스트림 API에는 기본형(primitive) 특화 스트림이 존재한다.

• 자바에서는 IntStream, LongStream, DoubleStream 세 가지 형태를 제공하여 기본 자료형(int, long, double)에 특화된 기능을 사용할 수 있게 한다.
  • 예를 들어, IntStream 은 합계 계산, 평균, 최솟값, 최댓값 등 정수와 관련된 연산을 좀 더 편리하게 제공하고, 오토박싱/언박싱 비용을 줄여 성능도 향상시킬 수 있다.

스트림 타입	대상 원시 타입	생성 예시
IntStream	int	IntStream.of(1, 2, 3), IntStream.range(1, 10), mapToInt(...)
LongStream	long	LongStream.of(10L, 20L), LongStream.range(1, 10), mapToLong(...)
DoubleStream	double	DoubleStream.of(3.14, 2.78), DoubleStream.generate(Math::random), mapToDouble(...)

기본형 특화 스트림의 숫자 범위 생성 기능

• range(int startInclusive, int endExclusive) : 시작값 이상, 끝값 미만
  • IntStream.range(1, 5) → [1, 2, 3, 4]
• rangeClosed(int startInclusive, int endInclusive) : 시작값 이상, 끝값 포함
  • IntStream.rangeClosed(1, 5) → [1, 2, 3, 4, 5]

기본형 특화 스트림: 주요 기능 및 메서드

• 합계, 평균 등 자주 사용하는 연산을 편리한 메서드로 제공한다. 또한, 타입 변환과 박싱/언박싱 메서드도 제공하여 다른 스트림과 연계해 작업하기 수월하다.

메서드 / 기능	설명	예시
sum()	모든 요소의 합계를 구한다.	int total = IntStream.of(1, 2, 3).sum();
average()	모든 요소의 평균을 구한다. OptionalDouble을 반환.	double avg = IntStream.range(1, 5).average().getAsDouble();
summaryStatistics()	최솟값, 최댓값, 합계, 개수, 평균 등이 담긴 IntSummaryStatistics (또는 Long/Double) 객체 반환	IntSummaryStatistics stats = IntStream.range(1,5).summaryStatistics();
asLongStream(), asDoubleStream()	타입 변환	LongStream longStream = IntStream.range(1, 5).asLongStream();
mapToInt(), mapToLong(), mapToDouble()	매핑+ 타입 변환 : IntStream → LongStream, DoubleStream ... Stream<Integer> IntStream	LongStream ls = IntStream.of(1,2).mapToLong(i -> i * 10L); IntStream instream = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5).mapToInt(i  i)
mapToObj()	객체 스트림으로 변환 : 기본형 → 참조형	Stream<String> s = IntStream.range(1,5).mapToObj(i -> "No: "+i);
boxed()	기본형 특화 스트림을 박싱(Wrapper)된 객체 스트림으로 변환	Stream<Integer> si = IntStream.range(1,5).boxed();
sum(), min(), max(), count()	합계, 최솟값, 최댓값, 개수를 반환 (타입별로 int/long/double 반환)	long cnt = LongStream.of(1,2,3).count();

• 기본형 특화 스트림(IntStream, LongStream, DoubleStream) 을 이용하면 숫자 계산(합계, 평균, 최대·최소 등)을 간편하게 처리하고, 박싱/언박싱 오버헤드를 줄여 성능상의 이점도 얻을 수 있다.
• range(), rangeClosed() 같은 메서드를 사용하면 범위를 쉽게 다룰 수 있어 반복문 대신에 자주 쓰인다.
• mapToXxx, boxed() 등의 메서드를 잘 활용하면 객체 스트림과 기본형 특화 스트림을 자유롭게 오가며 다양한 작업을 할 수 있다.
• summaryStatistics() 를 이용하면 합계, 평균, 최솟값, 최댓값 등 통계 정보를 한 번에 구할 수 있어 편리하다.
• 기본형 특화 스트림을 잘 이용하면 가독성, 성능 모두 잡을 수 있다. 따라서 숫자 중심의 연산에서는 적극 활용하는 것을 고려하자. (기본형 특화 스트림은 사용할 일이 가끔 있다~)

성능 - 전통적인 for문 vs 스트림 vs 기본형 특화 스트림

• 전통적인 for문이 제일 빠르다.
• 전통적인 for문이 스트림에 비해선 1.5~2배 더 빠르다.
  • 박싱/언박싱 오버헤드가 존재한다.
• 기본형 특화 스트림은 전통적인 for문에 가까운 성능을 보인다. (거의 비슷하거나 for문이 10%~30% 빠름)
  • 박싱/언방식 오버헤드를 피할 수 있고, 내부적으로 최적화된 연산 수행이 가능하다.
• 최적의 선택은 구현 가독성, 유지보수성, 극단적인 성능 필요 유무 등을 고려해야 한다.

Ref) 김영한의 실전 자바 - 고급 3편, 람다, 스트림, 함수형 프로그래밍 강의 | 김영한 - 인프런