Chapter 14 - 람다와 스트림

Chapter 14 - 람다와 스트림

1. 람다식

• JDK 1.8부터 추가
• 함수형 언어의 기능까지 갖추게 함
  • 함수형 언어의 장점들을 자바에서도 사용

1.1 람다식이란?

• 메서드를 하나의 식(expression)으로 표현한 것
  • 간략 & 명확한 식으로 함수를 표현
  • 메서드의 이름과 반환값이 없어지므로 익명함수라고도 부름
  • 메서드는 객체지향에서의 함수 (객체의 행위나 동작을 의미)

1.2 람다식 작성하기

• 이름과 반환 타입을 제거하고 매개변수 선언부와 몸통 사이에 -> 추가
  • 반환값이 있다면 return문을 식으로 대신할 수 있음(끝에 세미콜론을 붙이지 않음)
  • 매개변수 타입은 추론이 가능한 경우 생략 (매개변수 중 어느 하나의 매개변수만 생략은 불가능)
  • 매개변수가 하나뿐이고 매개 변수의 타입이 없을 시 경우엔 괄호 생략 가능
  • 괄호 {}안의 문장이 하나일 때는 괄호 생략 가능, 이때도 끝에 세미콜론을 붙이지 않아야 한다.

1.3 함수형 인터페이스(Functional Interface)

• 람다식은 익명 클래스의 객체와 동등 (new Object() {~})
• 람다로 정의된 메서드를 호출할 때 필요한 것들
  • 참조 변수가 필요
  • 참조 변수를 만들기 위해서는 참조 변수의 타입이 필요
  • 람다식과 동등한 메서드를 정의한 인터페이스를 만든 뒤 참조 변수의 타입으로 지정
  • 인터페이스를 구현한 클래스를 'new 타입'과 같은 방식으로 구현할 수 있지만 람다식으로도 구현 가능
  • (참조 변수).(인터페이스에 정의된 메서드명)으로 익명 객체의 메서드 호출
• 위와 같은 과정으로 인해 인터페이스로 람다식을 다루기로 결정
• 람다식을 다루기 위한 인터페이스를 함수형 인터페이스라고 정의
• 함수형 인터페이스는 하나의 추상 메서드만 정의해야 됨
  • 람다식과 인터페이스의 메서드를 1:1로 연결해야 하기 때문
  • static 메서드와 default 메서드는 제약 X
• @FunctionalInteface 애너테이션을 붙이면 컴파일러가 정확한 함수형 인터페이스인지 확인해 줌

함수형 인터페이스 타입의 매개변수와 반환 타입

• 메서드의 매개변수가 함수형 인터페이스 타입일 시 해당 인자로 람다식을 참조하는 참조 변수를 매개변수로 지정해야 함
• 참조 변수 없이 직접 람다식을 매개변수로 지정하는 것도 가능
• 변수처럼 메서드를 주고받는 것이 가능해짐
  • 사실상 메서드가 아니라 객체를 주고받는 것이지만 코드가 더 간결해짐

람다식의 타입과 형변환

• 람다식의 타입이 함수형 인터페이스의 타입과 정확히 일치하는 것은 아님
  • 람다식의 타입 출력 시 외부클래스이름&&Lambda&&번호
  • 함수형 인터페이스와 일치하기 위한 형 변환이 필요하지만 형변환은 생략 가능
• Object로의 형변환은 불가능
  • 람다식은 오직 함수형 인터페이스로만 형변환 가능

외부 변수를 참조하는 람다식

• 익명 클래스와 동일한 방식으로 람다식도 외부에 선언된 변수에 접근 가능
• 람다식 내에서 참조하는 지역변수는 final이 붙지 않았어도 상수로 간주
• 외부 지역변수와 같은 이름의 람다식 매개변수는 허용 X

1.4 java.util.function 패키지

• 대부분의 메서드는 타입이 비슷하고 지네릭 메서드로 정의할 수 있음
  • 가능하면 미리 정의해 둔 인터페이스를 활용
  • 메서드 이름 통일, 재사용성, 유지 보수 측면에서 좋음
• 가장 기본적인 함수형 인터페이스
  • run() : 매개변수 X, 반환값 X
  • Supplier<T> : 매개변수 X, 반환값 O
  • Consumer<T> : 매개변수 O, 반환값 X
  • Function<T,R> : 하나의 매개변수를 받아서 결과를 반환하는 일반적인 함수
  • Predicate<T> : 매개변수 하나, boolean 타입 반환, 조건식을 표현하는 데 사용

조건식의 표현에 사용되는 Predicate

• Predicate는 Function에서 반환 타입이 boolean이라는 차이
• 조건식을 람다식으로 표현하는 데 사용

매개변수가 두 개인 함수형 인터페이스

• 이름 앞에 접두사 'Bi'가 붙음
• 종류
  • BiConsumer<T,U> : 두 개의 매개변수, 반환값 X
  • BiPredicate<T,U> : 조건식을 표현하는 데 사용, 매개변수는 둘, 반환값은 boolean
  • BiFunction<T,U,R> : 두 개의 매개변수를 받아서 하나의 결과 반환
• 3개 이상의 매개변수를 갖는 함수형 인터페이스는 직접 구현해서 사용 가능

UnaryOperator와 BinaryOperator

• 매개변수의 타입과 반환 타입의 타입이 모두 일치하는 점만 제외하고는 Function과 같음
• 종류
  • UnaryOperator<T> : Function의 자손, 매개변수와 결괏값의 타입이 동일
  • BinaryOperator<T> : Function의 자손, 두 매개변수와 결괏값의 타입이 동일

컬렉션 프레임웍과 함수형 인터페이스

• 컬렉션 프레임웍의 인터페이스의 다수의 디폴트 메서드 추가
• 그중 일부는 함수형 인터페이스를 사용
• Collection 인터페이스
  • boolean removeif(Predicate<E> filter) : 조건에 맞는 요소를 삭제
• List 인터페이스
  • void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) : 모든 요소를 변환하여 대체
• Iterable 인터페이스
  • void forEach(Consumer<T> action) : 모든 요소에 작업 action을 수행
• Map 인터페이스
  • V compute(K key, BiFunction<K,V,V> f) : 지정된 키의 값에 작업 f를 수행
  • V computeIfAbsent(K key, Function<K,V> f) : 키가 없으면 작업 f 수행 후 추가
  • V conputeIfPresent(K key, BiFunction<K,V,V> f) : 지정된 키가 있을 때 작업 f 수행
  • V merge(K key, V value, BiFunction<K,V,V> f) : 모든 요소에 병합작업 f를 수행
  • void forEach(BiConsumer<K,V> action) : 모든 요소에 작업 action을 수행
  • void replaceAll(BiFunction<K,V,V> f) : 모든 요소에 치환작업 f를 수행

기본형을 사용하는 함수형 인터페이스

• 기본형 대신 래퍼 클래스로 사용하는 것은 비효율적
• 보다 효율적인 처리를 위해 기본형을 사용하는 함수형 인터페이스들 제공
• 종류
  • DoubleToIntFunction : 입력이 double 타입, 출력이 int 타입
  • ToIntFunction<T> : 입력은 지네릭, 출력은 int 타입
  • IntFunction<R> : 입력이 int 타입, 출력은 지네릭 타입
  • ObjIntConsumer<T> : 입력이 지네릭과 int, 출력은 없음

1.5 Function의 합성과 Predicate 결합

• static 메서드로 정의되어 있음

Function의 합성

• 두 람다식을 합성해서 새로운 람다식을 만들 수 있음
• f.andThen(g)
  • f의 결과값을 g로 받아서 값을 반환
• f.compose(g)
  • andThen과 반대
  • g의 결과값을 f로 받아서 값을 반환
• identity()
  • 항등 함수가 필요할 때 사용
  • 람다식으로 표현 시 x->x
  • map()으로 변환작업할 때 변환 없이 그대로 처리하고자 할 때 사용

Predicate의 결합

• 조건식들을 논리 연산자로 하나의 식으로 구성할 수 있듯이 여러 Predicate도 결합 가능
• and(), or(), negeate()로 연결
• negate는 !의 의미

1.6 메서드 참조

• 람다식을 더욱 간결하게 할 수 있는 방법
• 람다식이 하나의 메서드만 호출하는 경우에만 사용
• 우변 메서드의 선언 부분이나 좌변 인터페이스에 지정된 지네릭 타입으로부터 알아낼 수 있는 내용을 생략
• 표현
  • static 메서드, 인스턴스 메서드 참조는 클래스이름::메서드이름로 표현
  • 특정 객체 인스턴스메서드 참조는 참조변수::메서드이름와 같은 방식으로 표현

생성자의 메서드 참조

• 클래스이름::new와 같은 방식으로 표현
• 배열의 경우엔 자료형[]::new와 같은 방식으로 표현

2. 스트림(stream)

2.1 스트림이란?

• for문과 Iterator의 단점
  • 코드가 길다.
  • 알아보기 어려움
  • 재사용성 떨어짐
  • 데이터 소스마다 다른 방식으로 다뤄야 함
• 이러한 문제를 해결하기 위해 스트림을 만듦
  • 데이터 소스를 추상화
  • 컬렉션, 파일에 저장된 데이터를 모두 같은 방식으로 다룸

스트림은 데이터 소스를 변경하지 않는다.

• 데이터를 읽기만 할 뿐 변경 X
• 변경 필요시 결과를 컬렉션, 배열 등에 할당

스트림은 일회용이다.

• 스트림은 Iterator처럼 일회용
• 한번 사용하면 닫혀서 다시 사용 불가
• 재사용 필요시 재생성

스트림은 작업을 내부 반복으로 처리한다.

• 내부 반복이라는 것은 반복문을 메서드의 내부에 숨길 수 있다는 의미
• forEach()는 메서드 안으로 for문을 넣은 것

스트림의 연산

• 중간 연산
  • 연산 결과가 스트림
  • 연속해서 중간 연산 가능
• 최종 연산
  • 연산 결과가 스트림이 아닌 연산
  • 스트림의 요소를 소모하므로 단 한 번만 가능

지연된 연산

• 스트림은 최종 연산이 수행되기 전까지 중간 연산이 수행 X
• 최종 연산이 수행되어야 스트림의 요소들이 중간 연산을 거쳐 최종 연산에서 소모

Stream<Integer>와 IntStream

• 오토박싱&언박싱으로 인한 비효율을 줄이기 위해 기본형으로 데이터 소스의 요소를 다루는 스트림도 제공
• IntStream, LongStream, DoubleStream 제공

병렬 스트림

• 내부적으로 fork&join 프레임웍을 이용해서 자동적으로 연산을 병렬로 수행
• parallel()을 호출하면 병렬로 연산을 수행하도록 지시할 수 있음
• 병렬로 처리되지 않게 하려면 sequential() 호출
• 모든 스트림은 기본적으로 병렬 스트림이 아님
• 병렬처리가 항상 더 빠른 결과를 얻게 해주는 것은 아님

2.2 스트림 만들기

컬렉션

• Stream<T> Collection.stream() 사용

배열

• Stream<T> Stream.of(~) 메서드로 스트림 생성
• int 등의 기본형은 IntStream IntStream.of(~) 메서드로 생성

특정 범위의 정수

• IntStream, LongStream이 갖고 있는 메서드
• 연속된 정수의 스트림을 생성 후 반환
• IntStream.range(int begin, int end)
  • end 값 미포함
• IntStream.rangeClosed(int begin, int end)
  • end 값 포함

임의의 수

• Random 클래스에서 제공하는 난수를 생성하는 데 사용되는 메서드
• Intstream ints(), LongStream longs(), DoubleStream doubles()
• 크기가 정해지지 않은 무한 스트림을 반환
  • limit()을 같이 사용하여 크기를 제한해 줄 것
• 매개변수로 범위를 지정할 수 있음 (end 값 미포함)

람다식 - iterate(), generate()

• 람다식을 매개변수로 받아서 계산되는 값들을 요소로 하는 무한 스트림 생성
• iterate는 씨앗 값으로 지정된 값부터 시작, 람다식에 의해 계산된 결과를 다시 seed 값으로 해서 계산 반복
• generate는 매개변수가 없는 람다식(Supplier)만 허용하기 때문에, 이전 값으로 계산 X
• 둘에 의해 생성된 스트림을 기본형 타입의 참조 변수로 다루기 위해선 mapToInt()와 같은 변환 메서드 필요
  • 반대는 boxed() 메서드 사용

파일

• java.nio.file.Files에서 지정된 디렉터리에 있는 파일의 목록을 소스로 하는 스트림을 생성 후 반환하는 메서드 지원
• Stream<Path> File.list(Path dir)
• 파일의 한 행을 요소로 하는 스트림 생성 메서드도 존재
  • Files.lines(~)

빈 스트림

• 요소가 비어있는 스트림 생성 시 null 보단 Stream.empty()를 사용해서 만들 것
• null을 할당해도 오류는 아니다.

두 스트림의 연결

• 같은 타입의 두 스트림을 concat()으로 연결할 수 있다.

2.3 스트림의 중간 연산

스트림 자르기 - skip(), limit()

• skip()은 요소를 건너 뜀
• limit은 스트림의 요소를 제한(잘라냄)
• 기본형 스트림에도 정의되어 있음

스트림 요소 걸러내기 - filter(), distinct()

• filter()는 주어진 조건(Predicate)에 맞지 않는 요소를 걸러냄
  • 연산 결과가 boolean인 람다식을 사용해도 된다.
  • 필요하다면 filter()를 다른 조건으로 여러 번 사용 가능
• distinct()는 중복된 요소를 제거

정렬 - sorted()

• sort()는 지정된 Comparator로 스트림을 정렬
  • Comparator 대신 int 값을 반환하는 람다식 사용 가능
• Comparator가 지정되어 있지 않으면 스트림 요소의 기본 정렬 기준(Comparable)로 정렬
  • JDK 1.8부터 Comparator 인터페이스에 static 메서드와 디폴트 메서드가 많이 추가
  • 비교 대상이 기본형인 경우 thenComparing()이 효율적

변환 - map()

• 원하는 필드만 뽑아내거나 특정 형태로 변환해야 할 때 사용
• T 타입을 R 타입으로 변환해서 반환하는 함수를 지정해야 함
• 하나의 스트림에 여러 번 적용 가능

조회 - peek()

• 연산과 연산 사이에 올바르게 처리되었는지 확인할 때 사용
• forEach와는 달리 스트림 요소 소모 X

mapToInt(), mapToLong(), mapToDouble()

• Stream<T> 타입의 스트림을 기본형 스트림으로 변환할 때 사용하는 메서드들
• 기본형만 다룰 땐 연산 시 따로 기본형으로 변환할 필요가 없으므로 효율적
• Stream<T> 보다 숫자를 다루는데 편리한 메서드들을 더 제공함
  • sum(), average(), max(), min()
  • 이 메서드들은 최종 연산이기 때문에 호출 후 스트림이 닫힘
  • 스트림을 다시 생성해야 하는 불편함을 덜기 위해 summaryStatistics() 메서드 제공
• mapToObj() : 기본형 스트림을 Stream<T>으로 변환
• boxed() : IntStream을 Stream<Integer>로 변환

flatMap() - Stream<T[]>를 Stream<T>로 변환

• 스트림의 요소나 map()의 연산 결과가 배열일 경우 Stream<T>로 변환하기 위해 flatMap() 사용
  • flatMap()은 스트림의 스트림이 아닌 스트림으로 만들어준다.
• 스트림의 스트림을 하나의 스트림으로 합칠 때도 flatMap() 사용

2.4 Optional<T>과 OptionalInt

• Optional<T>는 지네릭 클래스로 T 타입의 객체를 감싸는 래퍼 클래스
  • Optional 타입의 객체에는 모든 타입의 참조 변수를 담을 수 있음
  • private final T value 필드를 class 내부에서 가지고 있음
• 반환된 결과가 null 인지 if문으로 체크하는 대신 Optional에 정의된 메서드로 처리 가능

Optional 객체 생성하기

• of() 또는 ofNullable()을 사용
  • 참조 변수의 값이 null 일 가능성이 있으면 ofNullable() 사용
  • null로 초기화 하기보단 empty()로 초기화하는 것이 바람직

Optional 객체의 값 가져오기

• Optional 객체의 값은 get()으로 가져올 수 있음
  • null 일 때는 NoSuchElementException 발생
• 예외를 대비해서 orElse()로 대체할 값 지정 가능
  • orElseGet()으로 null 값을 대체할 람다식 지정 가능
  • orElseThrow()로 null 일 때 지정된 예외를 발생시킬 수도 있음
• 값의 존재를 확인할 수 있는 isPresent() 메서드와 값이 있을 때 사용할 수 있는 ifPresent() 메서드 존재
• Stream 클래스에 정의된 메서드 중에서 Optional<T>을 반환하는 것들이 존재
  • findAny(), findFirst(), max(), min(), reduce()

OptinalInt, OptionalLong, OptionalDouble

• 기본형을 값으로 하는 Optinal들
• IntStream 등에도 해당 클래스를 반환하는 메서드 존재
• 기존의 get()이 getAsInt() 등 메서드 이름이 조금씩 다름
• 기본형 int가 0 일 때와 아무런 값을 갖지 않는 상황을 구별하기 위해 클래스 내부에 isPresent라는 인스턴스 변수를 두고 구분

2.5 스트림의 최종 연산

• 최종 연산은 스트림의 요소를 소모 후 결과를 만들어냄
• 최종 연산 후엔 스트림이 닫히고 더 이상 사용 불가
• 최종 결과는 단일 값이거나 배열 또는 컬렉션

forEach()

• 반환 타입 void
• 스트림의 요소를 출력하는 등의 용도로 사용

조건 검사 - allMatch(), anyMatch(), noneMatch(), findFirst(), findAny()

• 스트림의 요소에 대해 지정된 조건으로 확인하는 데 사용할 수 있는 메서드들
• 연산 결과로 boolean 반환
• findAny()와 findFirst()의 반환 타입은 Optional<T>
  • 요소가 없을 시 비어있는 Optional 객체를 반환

통계 - count(), sum(), average(), max(), min()

• 스트림의 요소들에 대한 통계 정보를 얻을 수 있는 메서드들
• 기본형이 아닐 시엔 count(), max(), min() 세 가지 메서드들만 사용 가능
  • 위의 메서드들을 사용하기보단 기본형 스트림으로 변환하거나 reduce()와 collect()를 사용해서 통계 정보를 얻음

리듀싱 - reduce()

• 스트림의 요소를 줄여나가면서 연산을 수행한 뒤 최종 결과를 반환
• 처음 두 요소를 가지고 연산한 결과를 그다음 요소와 연산
  • 매개변수의 타입 BinaryOperator<T>
• 매개변수가 초기값을 갖는 reduce()는 초기값과 스트림의 첫 번째 요소로 연산을 시작
  • 스트림의 요소가 없을 시 초기값이 반환
  • 초기값이 있으므로 반환 타입이 Optional이 아닌 T (초기 값이 없는 reduce 메서드는 반환값 Optional)
• combiner 매개변수는 병렬 스트림에 의해 처리된 결과를 합칠 때 사용하는 매개변수

2.6 collect()

• 스트림의 최종 연산 중 가장 복잡하면서도 유용하게 활용
• 리듀싱과 유사한 방식
• collect()의 매개변수로 어떻게 수집할 것인가에 대한 방법이 정의되어야 하는데 그 방법을 정의한 것이 collector
• collect()를 사용하기 위해 알아야 하는 것
  • collect() : 스트림의 최종 연산, 매개변수로 컬렉터를 필요로 함
  • Collector : 인터페이스, 컬렉터는 이 인터페이스를 구현해야 함
  • Collectors : 클래스, static 메서드로 미리 작성된 컬렉터를 제공
• 매개변수로 Collector 구현체가 들어간 collect 메서드와 Supplier, BiConsumer 두 개가 들어간 메서드 존재
  • 두 번째 메서드는 잘 사용되지 않는다.

스트림을 컬렉션과 배열로 변환 - toList(), toSet(), toMap(), toCollection, toArray()

• List는 Collectors.toList() 사용
• 특정 컬렉션은 toCollection()에 해당 컬렉션의 생성자 참조를 매개변수로 넣기
  • ex) ArrayList::new
• Map의 경우엔 toMap 메서드의 파라미터로 키와 값을 정해줘야 함
• 스트림에서 저장된 요소들을 배열로 반환하려면 (stream 참조 변수).toArray() 사용
  • 원하는 타입의 생성자 참조를 매개변수로 지정
  • 매개변수를 지정하지 않을 시 배열의 타입은 Object[]

통계 - counting(), summingInt(), averageInt(), maxBy(), minBy()

• collect()가 아니어도 위의 연산들의 결과를 얻을 수 있지만 collect()를 사용하면 groupingBy()와 함께 사용 가능

리듀싱 - reducing()

• collect()에서 리듀싱도 사용 가능
• 매개변수에 따라 3가지 종류가 있음

문자열 결합 - joining()

• 문자열 스트림의 모든 요소를 하나의 문자열로 연결해서 반환
• 구분자와 접두사, 접미사도 지정 가능

그룹화와 분할 - groupingBy(), partitioningBy()

• 스트림의 요소를 특정 기준으로 그룹화
• groupingBy()는 스트림의 요소를 Function으로 분류
• partitioningBy()는 스트림의 요소를 Predicate로 분류
  • 스트림을 두 그룹으로 나눌 때 groupingBy() 보다 빠름

partitioningBy()에 의한 분류

• 예시로 collect(Collectors.partitioningBy(Student::isMale)) 과 같은 방식으로 학생들을 성별로 분할할 수 있다.
  • Map<Boolean, List>의 return 값을 받게 되며 get(true)로 조건에 맞는 학생 list를 얻을 수 있다.
  • get(false)의 경우 조건에 맞지 않는 학생 (위 예시로는 여학생)의 list를 얻을 수 있다.
• collect(Collectors.partitioningBy(Student::isMale, counting())) 과 같은 방식으로 학생의 수 역시 구할 수 있다.
• 이외에도 두 번째 파라미터에 maxBy, collectingAndThen, 또 다른 partitioningBy() 등을 넣어줄 수 있다.
  • 경우에 따라 T 자체나 Optional를 Map으로 return 받을 수 있음

groupingBy()에 의한 분류

• groupingBy()로 그룹화 시 기본적으로 List에 값을 담음
  • 필요시 toList() 대신 toSet(), toCollection(HashSet::new)을 사용 가능 (Map은 지네릭 타입도 적절히 변경해 줘야 함)
• groupingBy()을 여러 번 사용하면 다수준 그룹화가 가능함

2.7 Collector 구현하기

• Collector 인터페이스를 구현해야 함
• characteristics()를 제외한 4개의 람다식을 작성해야 함
  • supplier() : 작업 결과를 저장할 공간을 제공
  • accumulator() : 스트림의 요소를 수집할 방법 제공
  • combiner() : 두 저장 공간을 병합할 방법을 제공 (병렬 스트림)
  • finisher() : 결과를 최종적으로 변환할 방법 제공
• characteristics()는 컬렉터가 수행하는 작업의 속성에 대한 정보를 제공
  • Characteristics.CONCURRENT : 병렬로 처리할 수 있는 작업
  • Characteristics.UNORDERED : 스트림의 요소의 순서가 유지될 필요가 없는 작업
  • Characteristics.IDENTITY_FINISH : finisher()가 항등 함수인 작업
  • 아무런 속성도 지정하고 싶지 않을 땐 Collections.emptySet()을 return 하도록 구현