자바 고급 - IO, 네트워킹

# 문자 인코딩

프로그래밍 언어에서는 문자를 표현하기 위한 문자 집합이 필요하다.
자바에서는 Charset.availableCharSets() 함수를 호출하여 이용 가능한 모든 문자 집합을 조회할 수 있다.
String.getByte(CharSet) 메서드를 사용하면 문자를 바이트 배열로 변경할 수 있다.
현재 프로그래밍 체계에서는 UTF-8을 일반적으로 사용한다.
문자집합에 없는 문자를 디코딩하려는 경우 깨진 결과를 볼 수 있다.

# 스트림

자바 프로세스 데이터를 밖으로 내보내려면 출력 스트림을, 외부 데이터를 자바 프로세스로 가져오려면 입력 스트림을 사용한다.

public static void main(String[] args) throws IOException {
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("temp/hello.dat");
    fos.write(65);
    fos.write(66);
    fos.write(67);
    fos.close();

    FileInputStream fis = new FileInputStream("temp/hello.dat");
    System.out.println(fis.read());
    System.out.println(fis.read());
    System.out.println(fis.read());
    System.out.println(fis.read());
    fis.close();
}

new FileOutputStream("file.data"): 파일에 데이터를 출력하는 스트림이다.
- 파일이 없으면 파일을 자동으로 만들고, 데이터를 해당 파일에 저장한다.
- 폴더를 만들지는 않는다.
- FileOutputStream("file.data", true)와 같이 append 옵션 파라미터를 추가할 수 있다.
  - true로 지정 시 기존 파일 끝에 이어서 쓴다.
write(): 바이트 단위로 값을 출력한다.
new FileInputStream("file.dat"): 파일에서 데이터를 읽어오는 스트림이다.
read(): 파일에서 바이트 단위로 값을 읽어온다.
- EOF 도달시 -1을 반환한다.
close(): 파일에 접근하는 자바 외부 자원을 닫아준다. (반드시 호출 필요하다.)

byte[]을 사용하여 원하는 크기만큼 데이터 다루기

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 1. output
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(("temp/hello.dat"), true);
    byte[] input = {65,66,67};
    fos.write(input);
    fos.close();

    // 2. input
    FileInputStream fis = new FileInputStream("temp/hello.dat");
    byte[] buffer = new byte[10];
    int readCount = fis.read(buffer, 0, 10);

    System.out.println("readCount: " + readCount);
    System.out.println(Arrays.toString(buffer));

    fis.close();
}

출력 스트림
- write(byte[]): byte[]에 데이터를 담고 write()에 전달하여 데이터를 한번에 출력할 수 있다.
입력 스트림
- read(byte[], offset, length): byte[]를 미리 변수로 만들어두고 입력 스트림을 통해 데이터를 한번에 읽어올 수 있다.
  - offset: 데이터 입력을 시작할 byte[]의 인덱스
  - length: 읽어올 byte의 최대 길이
- offset과 length를 생략할 수 있다. 생략 시 아래와 같이 디폴트 값이 사용된다.
  - offset: 0
  - length: byte[].length
- readAllBytes를 호출하면 한번의 호출로 모든 데이터를 한 번에 읽어들일 수 있다.

자바 데이터 입출력은 모두 바이트 단위로 이루어진다.
데이터 I/O는 파일 저장소, 네트워크, 콘솔 등 다양한 경로에서 이루어질 수 있다.
- 각 경로마다 모두 구현체가 달라지게 되면 코드의 변경이 커지게 된다.
이 문제를 해결하기 위해 자바 InputStream, OutputStream이라는 기본 추상 클래스를 제공한다.
- InputStream: read(), read(byte[]), readAllBytes()
  - FileInputStream: 파일 스트림
  - ByteArrayInputStream: 메모리 스트림
  - SocketInputStream
- OutputStream: write(int), write(byte[])
  - FileOutputStream: 파일 스트림
  - ByteArrayOutputStream: 메모리 스트림
  - SocketOutputStream
ByteArray..Stream을 사용하면 메모리에 스트림을 읽고 쓸수 있다.
- 메모리에 데이터를 읽고 쓸때는 배열 및 컬렉션을 사용하면 되기 때문에 거의 사용하지 않는다.
PrintStream은 콘솔 출력 스트림이다.
- System.out이 PrintStream이다.
- 위 스트림은 자바가 시작될때 자동으로 만들어진다.

# 파일 입출력 최적화

public static void main(String[] args) throws IOException {
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FILE_NAME);
    long startTime = System.currentTimeMillis();

    for (int i = 0; i < FILE_SIZE; i++) {
        fos.write(1);
    }
    fos.close();

    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime - startTime);
}

fos.write(1) 코드를 FILE_SIZE만큼 반복하며 호출하는데, 1바이트 데이터를 계속해서 스트림을 통해 출력하는 것을 의미한다. 이는 부하가 큰 방식이다.
- write, read는 호출할때마다 OS 시스템 콜을 통해 파일을 읽거나 쓰는 명령어를 전달한다.
- 하드디스크 쓰기 읽기 작업도 부하가 존재한다.
- 물론 내부적으로 시스템 레벨의 최적화가 있긴 하지만, 방식 자체가 부하가 큰 것은 사실이다.
최적화를 위해서는 더 많은 양의 데이터를 한번에 입출력해야한다.

public static void main(String[] args) throws IOException {
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FILE_NAME);
    long startTime = System.currentTimeMillis();

    byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
    int bufferIndex = 0;

    for (int i = 0; i < FILE_SIZE; i++) {
        buffer[bufferIndex++] = 1;

        if (bufferIndex == BUFFER_SIZE) {
            fos.write(buffer);
            bufferIndex = 0;
        }
    }

    if (bufferIndex > 0) {
        fos.write(buffer, 0, bufferIndex);
    }

    fos.close();

    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime - startTime);
}

위 코드에서 BUFFER_SIZE만큼 데이터를 쌓은 뒤 버퍼가 꽉찰때마다 출력하는 구조로 코드를 변경했다.
성능이 매우 크게 개선되는 것을 볼 수 있다.
- 버퍼 크기가 무한정 크다고 해서 성능이 좋아지는 것은 아니다.
- 디스크 및 파일 시스템에서 데이터를 읽고 쓰는 기본 단위가 보통 4KB / 8KB이기 때문이다.

BufferedOutputStream

BufferedOutputStream은 버퍼 기능을 내부에서 대신 처리해준다.

public static void main(String[] args) throws IOException {
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FILE_NAME);
    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos, BUFFER_SIZE);
    long startTime = System.currentTimeMillis();

    for (int i = 0; i < FILE_SIZE; i++) {
        bos.write(1);
    }
    bos.close();

    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(endTime - startTime);
}

아웃풋 스트림 객체를 생성자에 전달한다.
버퍼 크기도 지정할 수 있다.
byte[]직접 다룰 필요가 없다.
버퍼가 가득차면 내부적으로 버퍼 내용을 비우고, 다시 채우기 시작한다.
flush 메서드를 사용하면 버퍼가 다 차지 않아도 출력이 가능하다.
내부에 데이터가 남아있는데 close호출하는 경우 내부적으로 flush를 호출하여 출력을 진행한 뒤 자원을 반납한다.
읽기 연산의 경우 다음과 같이 동작한다.
- FileInputStream에서 데이터를 BUFFER SIZE만큼 읽어들인 뒤 버퍼를 최대한 꽉 채워 저장해둔다.
- 1바이트 단위로 데이터를 읽어 자바 프로세스로 전달한다.
- 버퍼가 비게 되면 다시 FileInputStream에서 새러 받아온다.
Buffered 스트림은 데이터 동기화가 내부적으로 처리되어 있어 직접 다루는 것보다 성능이 떨어진다.

# 문자 다루기

스트림 시 모든 데이터는 byte 단위를 사용한다. 따라서 바이트가 아닌 문자를 스트림에 직접 전달할 수 없다.
String문자를 스트림을 통해 파일에 저장하려면 byte로 변환한 뒤 저장해야 한다.
- 문자열.getBytes(UTF_8) 메서드를 호출하여 바이트로 변경한다.
입출력간 데이터들을 바이트로 변환해줘야 하는 과정을 StreamWriter가 해준다.
- OutputStreamWriter: 스트림에 byte대신 문자를 저장할 수 있게 지원한다.
  - 문자를 입력받고, 받은 문자를 인코딩하여 byte[]로 변환한다.
  - 변환한 바이트 데이터를 전달하기 위해 인코딩 문자 집합도 필요하다.
- InputStreamWriter: 스트림에 byte 대신 문자를 읽을 수 있게 지원한다.
  - 인풋 스트림과 문자 집합이 필요하다.
  - 스트림에서 byte[]로 데이터를 먼저 읽어들이고, InputStreamReader에서 바이트 데이터를 char로 변환한다.
  - 반환값 자체는 EOF 표현을 위해 int이며, 문자로 사용하려면 타입 변환을 하면 된다.
스트림은 기본적으로 바이트 단위로 데이터를 읽고 쓴다. write 함수의 파라미터 역시 byte 데이터들을 전달했다.
반면 StreamWriter의 write 함수는 String이나 char를 사용한다.
위의 이유는 byte를 다루는 클래스와 문자를 다루는 클래스가 구분되어 있기 때문이다.
- 문자를 직접 다루는 부모 클래스는 Writer, Reader이다.
- 문자를 직접 다룬다 하여 내부 데이터도 문자 자체가 저장되는 것은 아니다.
FileWriter, FileReader를 사용하면 기존에 파일 읽고 쓰기 시 바이트 단위로 처리했던 코드가 간결해진다.
- Filewriter, FileReader는 OuputStreamWriter과 InputStreamWriter의 자식 클래스이다.
- 내부적으로 FileOutputStream, FileInputStream을 생성해주어 조금이나마 편리하게 사용하게 해주는 역할을 한다.
BufferedReader, BufferedReader는 한줄단위로 데이터를 읽어들인다.
- 내부에서 버퍼 처리를 자동으로 해준다.

try-with-resource

Writer, Reader 사용시 try-with-resource 구문을 사용하면 명시적인 close 함수 호출 없이도 try 블럭이 끝나면 자원을 정리해준다.

try (BufferWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter(FILE_PATH, UTF_8, true))) {
    // ...
}

인라인 형태로 작성하면 된다.

# DataInputStream

DataStream은 구분자 및 라인없이 데이터를 저장하고 조회할 수 있다.

dataOutputStream.writeUTF("UTF데이터_쓰기");
dataInputStream.readUTF(); // 문자열 읽기

writeUTF 메서드는 UTF-8로 문자를 저장하는데, 저장 시 2byte를 추가로 사용하여 글자 길이를 저장한다.
기타 타입들은 각 타입들의 사용 바이트 규격에 맞춰 데이터를 읽어들인다.
write과 read의 읽어들이는 데이터 순서 쌍이 동일해야 한다.
- writeUTF & writeInt를 했는데 readInt부터 호출하게 되면 데이터 파싱 및 읽기가 실패한다.

# ObjectStream

ObjectStream을 사용하면 메모리에 보관되어 있는 인스턴스를 파일에 편리하게 저장할 수 있다.
자바 객체 직렬화를 사용하면, 객체 인스턴스를 바이트 스트림으로 변환하여 파일에 저장하거나 네트워크를 통해 전송할 수 있다.
객체 직렬화를 하려면 클래스는 반드시 Serializable 인터페이스를 구현해야 한다.
- 구현해야할 특정 기능은 없다.
- 직렬화 가능한 클래스라는 것을 표시하기 위한 목적이다.
- 표시가 목적인 인터페이스를 마커 인터페이스라 한다.

public class ObjectRepositoryImpl implements MemberRepository {
    @Override
    public void add(Member member) {
        List<Member> members = findAll();
        members.add(member);

        try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("members-object.dat"))) {
            oos.writeObject(members);
        } catch (IOException e) {
        }

    }

    @Override
    public List<Member> findAll() {
        try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("members-object.dat"))) {
            Object objects = ois.readObject();
            return (List<Member>) objects;
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            return new ArrayList<>();
        }
    }
}

비어있을때 List.of를 리턴하면 불변 리스트를 반환하기 때문에 new ArrayList를 반환해야 한다.
writeObject로 객체 쓰기를 하고, readObject로 객체 읽기가 가능하다.
ClassNotFoundException도 잡아야 하는 예외이다.
- 현대에는 객체 직렬화를 거의 사용하지 않는다.
  - 버전 관리가 어렵다.
  - 자바 플랫폼에 종속적이다.
  - 직렬화 및 역직렬화가 성능을 저하시킨다.
  - 유연하지 않다.
  - 크기가 상대적으로 크다.
이러한 한계점으로 현대에는 JSON을 주로 사용한다.

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