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[Java] 입출력 I/O - 자바에서의 입출력

Kindbeeeear_ 2022. 7. 7. 17:48

입출력이란?

I/O란 Input과 Output의 약자로 입력과 출력, 간단히 줄여서 입출력이라고 한다. 입출력은 컴퓨터 내부 또는 외부의 장치와 프로그램간의 데이터를 주고받는 것을 말한다.

예를 들면 키보드로부터 데이터를 입력받는다든가 System.out.println() 을 이용해서 화면에 출력한다던가 하는 것이 가장 기본적인 입출력의 예시이다.

 

스트림(Stream)

자바에서 입출력을 수행하려면, 즉 어느 한쪽에서 다른 쪽으로 데이터를 전달하려면, 두 대상을 연결하고 데이터를 전송할 수 있는 무언가가 필요한데 이것을 스트림(Stream)이라고 정의했다. 람다와 스트림에서의 스트림과 같은 용어를 사용하지만 다른 개념이다.

 

스트림은 연속적인 데이터의 흐름에 물에 비유해서 붙여진 이름인데, 여러 가지로 유사한 점이 많다. 물이 한쪽 방향으로만 흐르는 것과 같이 스트림은 단방향통신만 가능하기 때문에 하나의 스트림으로 입력과 출력을 동시에 처리할 수 없다.

그래서 입력과 출력을 동시에 수행하려면 입력을 위한 입력스트림(input stream)과 출력을 위한 출력스트림(output stream), 모두 2개의 스트림이 필요하다.

 

스트림은 먼저 보낸 데이터를 먼저 받게 되어 있으며 중간에 건너뜀 없이 연속적으로 데이터를 주고 받는다. 큐(queue)와 같은 FIFO(First In First Out)구조로 되어 있다고 생각하면 이해하기 쉬울 것이다.

 

바이트기반 스트림 - InputStream, OutputStream

스트림은 바이트단위로 데이터를 전송하며 입출력 대상에 따라 다음과 같은 입출력스트림이 있다.

입력스트림 출력스트림 입출력 대상의 종류
FileInputStream FileOutputStream 파일
ByteArrayInputStream ByteArrayOutputStream 메모리(byte 배열)
PipedInputStream PipedOutputStream 프로세스(프로세스간의 통신)
AudioInputStream AudioOutputStream 오디오장치

 

위와 같이 여러 종류의 입출력 스트림이 있으며, 어떠한 대상에 대해서 작업을 할 것인지 그리고 입력을 할 것인지 출력을 할 것인지에 따라서 해당 스트림을 선택해서 사용하면 된다. 예를 들어 어떤 파일의 내용을 읽고자 하는 경우 FileInputStream을 사용하면 될 것이다.

이들은 모두 InputStream 또는 OutputStream의 자손들이며, 각각 읽고 쓰는데 필요한 추상메서드를 자신에 맞게 구현해 놓았다.

자바에서는 java.io 패키지를 통해서 많은 종류의 입출력관련 클래스들을 제공하고 있으며, 입출력을 처리할 수 있는 표준화된 방법을 제공함으로써 입출력의 대상이 달라져도 동일한 방법으로 입출력이 가능하기 때문에 프로그래밍을 하기에 편리하다.

InputStream OutputStream
abstract int read() abstract void write(int b)
int read(byte[] b) void write(byte[] b)
int read(byte[] b, int off, int len) void write(byte[] b, int off, int len)

|참고| read()의 반환타입이 byte가 아니라 int인 이유는 read()의 반환값의 범위가 0~255와 -1이기 때문이다.

 

위 표에 나온 메서드의 사용법만 잘 알고 있어도 데이터를 읽고 쓰는 것은 입출력 대상의 종류에 관계없이 아주 간단한 일이 될 것이다.

InputStream의 read()와 OutputStream의 write(int b)는 입출력의 대상에 따라 읽고 쓰는 방법이 다를 것이기 때문에 각 상황에 알맞게 구현하라는 의미에서 추상메서드로 정의되어 있다.

read()와 write(int b)를 구현하지 않아도 이들을 사용하면 될 것이라고 생각할 수도 있겠지만 사실 추상메서드인 read()와 write(int b)를 이용해서 구현한 것들이기 때문에 read()와 write(int b)가 구현되어 있지 않으면 이들은 아무런 의미가 없다.

public abstract class InputStream {
    ...
    // 입력스트림으로부터 1byte를 읽어서 반환한다. 읽을 수 없으면 -1을 반환한다.
    abstract int read()
    
    // 입력스트림으로부터 len개의 byte를 읽어서 byte배열 b의 off위치부터 저장한다.
    int read(byte[] b, int off, int len) {
        ...
        for(int i = off; i < off + len; i++) {
            //read()를 호출해서 데이터를 읽어서 배열을 채운다.
            b[i] = (byte) read();
        }
    }
    ...
    // 입력스트림으로부터 byte 배열 b의 크기만큼 데이터를 읽어서 배열 b에 저장한다.
    int read(byte[] b) {
        return read(b, 0, b.length);
    }
    ...
}

 

이 코드는 InputStream의 실제 소스코드의 일부를 이해하기 쉽게 약간 변경한 것인데, 여기서 read(byte[] b, int off, int len)의 코드를 보면 read()를 호출하는 것을 알 수 있다. read()가 추상메서드이지만 이처럼 read(byte[] b, int off, int len)의 내에서 read()를 호출한다는 것이다.

read(byte[] b)도 read(byte[] b, int off, int len)을 호출하지만 read(byte[] b, int off, int len)이 다시 추상메서드 read()를 호출하기 때문에 read(byte[] b)도 추상메서드 read()를 호출한다고 할 수 있다.

메서드는 선언부만 알고 있어도 호출이 가능하기 때문에, 추상 메서드를 호출하는 코드를 작성할 수 있다. 실제로는 추상클래스를 상속받아서 추상메서드를 호출하는 코드를 작성해도 아무런 문제가 되지 않는다.

결론적으로 read()는 반드시 구현되어야 하는 핵심적인 메서드이고, read() 없이는 read(byte[] b, int off, int len)과 read(byte[] b)는 의미가 없다는 것을 확인할 수 있다.

 

보조 스트림

첫 번째 표에서 언급한 스트림 외에도 스트림의 기능을 보완하기 위한 보조스트림이 제공된다. 보조스트림은 실제 데이터를 주고 받는 스트림이 아니기 때문에 데이터를 입출력할 수 있는 기능은 없지만, 스트림의 기능을 향상시키거나 새로운 기능을 추가할 수 있다. 그래서 보조스트림만으로는 입출력을 처리할 수 없고, 스트림을 먼저 생성한 다음에 이를 이용해서 보조스트림을 생성해야 한다.

예를 들어 test.txt 라는 파일을 읽기 위해 FileInputStream을 사용할 때, 입력 성능을 향상시키기 위해 버퍼를 사용하는 보조스트림인 BufferedInputStream을 사용하는 코드는 다음과 같다.

// 먼저 기반스트림을 생성한다.
FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");

// 기반스트림을 이용해서 보조스트림을 생성한다.
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
bis.read(); // 보조스트림인 BufferedInputStream 으로부터 데이터를 읽는다.

 

코드 상으로는 보조스트림인 BufferedInputStream이 입력기능을 수행하는 것처럼 보이지만, 실제 입력기능은 BufferedInputStream과 연결된 FileInputStream이 수행하고, 보조스트림인 BufferedInputStream은 버퍼만 제공한다. 버퍼를 사용한 입출력과 사용하지 않은 입출력간의 성능차이는 상당하기 때문에 대부분의 경우에 버퍼를 이용한 보조스트림을 사용한다.

아래의 표에 있는 보조스트림들은 InputStream과 OutputStream의 자손들이므로 입출력 방법이 동일하다.

입력 출력 설명
FilterInputStream FilterOutputStream 필터를 이용한 입출력처리
BufferedInputStream BufferedOutputStream 버퍼를 이용한 입출력 성능향상
DataInputStream DataOutputStream int, float와 같은 기본형 단위(primitive type)로 데이터를 처리하는 기능
SequenceInputStream 없음 두 개의 스트림을 하나로 연결
LinNumberInputStream 없음 읽어 온 데이터의 라인 번호를 카운트(JDK1.1부터 LineNumberReader로 대체)
ObjectInputStream ObjectOutputStream 데이터를 객체단위로 읽고 쓰는데 사용.
주로 파일을 이용하며 객체 직렬화와 관련있음
없음 PrintStream 버퍼를 이용하며, 추가적인 print관련 기능(print, printf, println)
PushbackInputStream 없음 버퍼를 이용해서 읽어 온 데이터를 다시 되돌리는 기능(unread, push back to buffer)

 

문자기반 스트림 - Reader, Writer

지금까지 알아본 스트림은 모두 바이트기반 스트림이었다. 바이트기반이라 함은 입출력의 단위가 1byte라는 뜻이다. 이미 알고 있는 것과 같이 C언어와 달리 Java에서는 한 문자를 의미하는 char형이 1byte가 아니라 2byte이기 때문에 바이트기반의 스트림으로 2byte인 문자를 처리하는 데는 어려움이 있다.

이 점을 보완하기 위해서 문자기반의 스트림이 제공된다. 문자데이터를 입출력할 때는 바이트기반 스트림 대신 문자기반 스트림을 사용하자.

더보기

InputStream -> Reader

OutputStream -> Writer

바이트기반 스트림 문자기반 스트림
FileInputStream
FileOutputStream		 FileReader
FileWriter
ByteArrayInputStream
ByteArrayOutputStream		 CharArrayReader
CharArrayWriter
PipedInputStream
PipedOutputStream		 PipedReader
PipedWriter
StringBufferInputStream - deprecated
StringBufferOutputStream - deprecated		 StringReader
StringWriter

 

문자기반 스트림의 이름은 바이트기반 스트림의 이름에서 InputStream은 Reader로 OutputStream은 Writer로만 바꿈녀 된다. 단, ByteArrayInputStream에 대응하는 문자기반 스트림은 char배열을 사용하는 CharArrayReader이다.

 

InputStream Reader
abstract int read()
int read(byte[] b)
int read(byte[] b, int off, int len)		 int read()
int read(char[] cbuf)
abstract int read(char[] cbuf, int off, int len)
OutputStream Writer
abstract void write(int b)
void write(byte[] b)
void write(byte[] b, int off, int len)		 void write(int c)
void write(char[] cbuf)
abstract void write(char[] cbuf, int off, int len)
void write(String str)
void write(String str, int off, int len)

위 표는 바이트기반 스트림과 문자기반 스트림의 읽기와 쓰기에 사용되는 메서드를 비교한 것인데 byte배열 대신 char배열을 사용한다는 것과 추상메서드가 달라졌다. Reader와 Writer에서도 역시 추상메서드가 아닌 메서드들은 추상메서드를 이용해서 작성되었으며, 프로그래밍적인 관점에서 볼 때 read()를 추상메서드로 하는 것보다 int read(char[] cbuf, int off, int len)을 추상메서드로 하는 것이 더 바람직하다.

바이트기반 스트림과 문자기반 스트림은 이름만 조금 다를 뿐 활용 방법은 거의 같다.

 

보조스트림 역시 다음과 같은 문자기반 보조스트림이 존재하며 사용목적과 방식은 바이트기반 보조스트림과 다르지 않다.

바이트기반 보조스트림 문자기반 보조스트림
BufferedInputStream
BufferedOutputStream		 BufferedReader
BufferedWriter
FilterInputStream
FilterOutputStream		 FilterReader
FilterWriter
LineNumberInputStream - dprecated LineNumberReader
PrintStream PrintWriter
PushbackInputStream PushbackReader