F016 - File, I/O, Stream

✍️ 실무에서 엑셀이나 CSV 파일을 다운로드하거나 업로드하는 기능을 구현했던 경험이 있는데, 엑셀의 경우 Apache 재단에서 제공하는 라이브러리를 이용해서 구현했고, CSV의 경우 ByteArrayInputStream 으로 구현했었다.
하지만 당시에는 그냥 이 클래스를 쓰면 파일을 다운로드/업로드 할 수 있다는 것만 알고 어떻게 다운로드/업로드를 할 수 있는지 알지 못했다. 이번 시간을 통해 I/O, File, I/O Stream 에 대해 공부해보자!

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File

java.io 패키지에 속하는 클래스로 파일뿐만 아니라 파일의 경로까지 포함하는 포괄적인 클래스이다. 때문에 목적의 모호성 때문에 Java 7 부터 NIO2 패키지를 제공하면서 Files 클래스가 추가되는데, 이는 File 클래스 대부분의 메소드를 대체하여 제공하고 있다.

그리고 File 클래스는 직접 객체를 생성해야 데이터를 처리 할 수 있는 것에 반해, Files 클래스는 모든 메소드를 static 으로 선언 했기 때문에 별도로 객체를 생성해야 하는 번거로움이 줄어 들었다.

I/O

Input과 Output을 의미하며, Input은 마우스의 클릭이나 키보드의 입력 등이 속하고, Output은 스피커나 모니터 화면의 출력 등이 속한다. 즉, java.io 패키지에 속한 클래스들은 Stream을 통해 단방향으로 JVM 외부에 있는 데이터를 읽거나 쓸 수 있다.

해당 부분을 공부하면서 Java가 파일을 읽고 쓰는 방법이 궁금해졌다.
Java는 FileSystem 이라는 추상 클래스를 통해 OS의 파일 시스템에 접근 할 수 있으며 멤버 필드의 몇 부분에 @Native 어노테이션이 선언되어 JNI로 구현되어 있는 것을 알 수 있는데, 이를 통해 Java는 JVM과 JNI를 통해 파일 접근 방식을 랩핑해서 작동하는 것을 알 수 있다.

즉, 파일에 접근하기 위해서는 OS의 커널을 통해 접근해야 하며, 커널에 파일 접근 명령을 내리기 위해서는 System Call을 이용해 명령을 내려야 하는데, 이를 JVM을 통해 추상화하여 접근 할 수 있다.

1. JVM이 OS의 파일 시스템에 접근하는 방법?

How JVM access the file system

2. JVM은 어떻게 파일 읽기/쓰기를 구현하는가?

How do the JVM and Java implement reading from and writing to files?

3. JVM이 파일을 읽을 때 System Call 직접 수행하는가?

Does a file read from a Java application invoke a system call?

JDK 1.4 이전에는 Stream이라는 단방향 통로를 통해 리소스를 쓰고 읽었는데, Stream은 리소스를 읽고 쓰기 위해서 총 2개의 Stream을 생성해야 하는 번거로움이 있고, 해당 작업을 수행하는 동안 다른 작업은 수행 할 수 없다는 단점(Blocking, Sync)이 존재한다.

이를 개선한 NIO 라는 패키지를 JDK 1.4에 지원하므로써 리소스 접근 방식이 Stream 말고도 Buffer와 Channel 이 추가되면서 비동기식, Non-Blocking 방식으로 더 빠르고 유연하게 접근 할 수 있게 되었다.

해당 부분은 Buffer와 Channel, Sync/Async, Blocking/Non-Blocking을 공부하면서 자세히 알아보자.

Stream

Stream이란 데이터를 주고 받을 수 있는 단방향 통로로 키보드나 마우스 등의 장치로 입력하여 전달하는 것을 InputStream, 외부의 서버로의 데이터 전송이나 모니터, 스피커 등의 장치로 출력되는 것을 OutputStream 이라고 한다.

InputStream과 OutputStream 클래스 내부에는 Closeable 인터페이스를 구현하고 있는데, 이는 Stream이 리소스에 접근 할 때 Blocking, Synchronous(동기) 방식으로 작동하기 때문에 한번 Stream을 통해 데이터에 접근하고 해당 Stream의 close() 메소드를 이용하여 Stream을 닫지 않으면 프로세스가 종료될 때까지 Stream이 열려 있는 상태가 되며, 이 때문에 다른 작업은 못하기에 엄청난 메모리 누수가 발생 할 수 있다.

또한, Stream은 단방향 통로라는 단점이 있는데, 이는 리소스에 대해 읽기로 접근하기 위해서는 InputStream으로 Stream을 생성하여 접근해야 하고, 쓰기로 접근하기 위해서는 OutputStream으로 Stream을 생성하여 접근해야 한다.

OutputStream의 경우 Flushable 인터페이스를 구현하고 있으며, 이는 OutputStream을 확장하는 하위 클래스들 자체적으로 Buffer 를 이용하여 데이터를 모았다가 한번에 저장하는데, 이를 Flushable 인터페이스의 flush() 메소드를 이용해 Buffer와 관계없이 바로 지정된 디렉토리에 저장 할 수 있도록 하는 기능을 제공한다.

Reader, Writer

Stream은 byte와 byte[]을 읽고 쓰기 위해 사용된다면, Reader와 Writer는 char 타입 데이터를 읽고 쓰기 위해 사용되는 클래스이다.

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참고 사이트

[ 13주차 ] Java의 I/O (feat. Stream, Buffer, Channel)