[책 정리]Modern Java In Action 1장

자바 8, 9, 10, 11 무슨 일이 일어나고 있는가?

자바 역사를 통틀어 가장 큰 변화가 자바 8에서 일어났다.

• 자바 8에서 제공하는 새로운 기술
  • 스트림 API
  • 메서드에 코드를 전달하는 방법
  • 인터페이스의 디폴트 메서드

스트림을 이용하면 에러를 자주 일으키며, 멀티코어 CPU를 이용하는 것보다 비용이 훨씬 비싼 키워드 synchronized를 사용하지 않아도 된다. 자바 8에
추가된 스트림 API 덕분에 다른 두 가지 기능, 즉 메서드에 코드를 전달하는 기법(메서드 참조와 람다)과 인터페이스의 디폴트 메서드가 존재 할 수
있음을 알 수 있다.

하지만 스트림 API 때문에 메서드에 코드를 전달하는 기법이 생긴것은 아니다.

메서드에 코드를 전달하는 기법을 사용하면 동작 파라미터화(behavior parameterization)를 구현할 수 있다. 메서드에 코드를 전달(뿐만 아니라 결과를
반환하고 다른 자료구조로 전달할 수 도 있음)하는 자바 8 기법은 함수형 프로그래밍(functional-style programming)에서 위력을 발휘한다.

자바 8에서 함수형 프로그래밍을 도입하면서 객체지향 프로그래밍과, 함수형 프로그래밍의 장점을 누릴 수 있게 되었다.

자바 8 설계의 밑바탕을 이루는 세가지 프로그래밍 개념

스트림 처리(stream processing)

첫 번째 프로그래밍 개념은 스트림 처리다. 스트림이란 한 번에 한 개씩 만들어지는 연속적인 데이터 항목들의 모임. 이론적으로 프로그램은 입력 스트림에서
데이터를 한 개씩 읽어 들이며 마찬가지로 출력 스트림으로 데이터를 한 개씩 기록한다. 즉, 어떤 프로그램의 출력 스트림은 다른 프로그램의 입력 스트림이 될
수 있다.

자바 8에는 java.util.stream 패키지에 스트림 API가 추가 되었다. 스트림 패키지에 정의된 Stream는 T형식으로 구성된 일련의 항목을 의미한다.

스트림 API는 파이프라인을 만드는 데 필요한 많은 메서드를 제공한다. 스트림 API의 핵심은 기존에는 한 번에 한 항목을 처리했지만, 이제 자바 8에서는
우리가 하려는 작업을 데이터베이스 질의 처럼 고수준으로 추상화해서 일련의 스트림으로 만들어 처리할 수 있다는 것이다. 또한 파이프라인을 이용해서 입력
부분을 여러 CPU 코어에 쉽게 할당할 수 있다는 부가적인 이득도 얻을 수 있다. 스레드라는 복잡한 작업을 사용하지 않으면서도 공짜로 병렬성을 얻을 수 있다.

동작 파라미터화(behavior parameteriation)로 메서드에 코드 전달하기

자바 8에 추가된 두 번째 프로그램 개념은 코드 일부를 API로 전달하는 기능이다. 기존에 자바는 메서드를 다른 메서드의 파라미터로 전달 할 수 없었다.
물론 정렬기능을 위해서 익명함수 형태로 Comparator를 구현하는 방법도 있지만 복잡하다. 자바 8에서는 메서드를 다른 메서드의 파라미터로 전달 할 수 있다.
이러한 기능을 이론적으로 동작 파라미터화라고 부른다. 동작 파라미터화가 중요한 이유는 스트림 API는 연산의 동작을 파라미터화할 수 있는 코드를 전달한다는 사상에 기초하기 때문이다.

병렬성과 공유 가변 데이터

세 번째 프로그래밍의 개념은 병렬성을 공짜로 얻을 수 있다라는 말에서 시작된다. 병렬성을 공짜로 얻기 위해서는 다른 한가지를 포기해야하는데,
스트림 메서드로 전달하는 코드의 동작 방식을 조금 바꿔야 한다. 처음에는 불편하지만 나중에는 편하게 느껴질 것이다.

스트림 메서드로 전달하는 코드는 다른 코드와 동시에 실행하더라도 안전하게 실행될 수있어야 한다.

보통 다른 코드와 동시에 실행 하더라도 안전하게 실행할 수 있는 코드를 만들려면 가변 데이터(shared mutable data)에 접근하지 않아야 한다.
이러한 함수를 순수(pure) 함수, 부작용 없는 함수(side-effect-free), 상태 없는(stateless) 함수 라고 부른다.

자바 함수

일급 시민과 이급 시민

프로그래밍 언어의 핵심은 값을 바꾸는 것이다. 역사적으로 그리고 전통적으로 프로그래밍 언어에서는 이 값을 일급(first-class) 값 또는 시민(citizens)
이라고 부른다. 자바 프로그래밍 언어의 다양한 구조체(메서드, 클래스 같은)가 값을 구조를 표현하는데 도움이 될 수 있다. 하지만 프로그램을 실행하는 동안 이러한 모든 구조체를 자유롭게 전달할 수는 없다. 이렇게 전달할 수 없는 구조체는 이급 시민이다.

자바 8에서는 이급 시민을 일급 시민으로 바꿀 수 있는 기능을 추가했다. 이미 스몰토크, 자바스크립트 같은 다양한 언어에서 일급 시민으로 가득찬 세계를
성공적으로 만들어 가고있다.

메서드와 람다를 일급 시민으로

메서드 참조(method reference) ::

• 디렉터리에서 모든 숨겨진 파일을 필터링 하는 코드

File[] hiddenFiles = new File(".").listFiles(new FileFilter() {
  public boolean accept(File file) {
    return file.isHidden(); // 숨겨진 파일 필터링
  }
});

하지만 코드가 마음에 들지 않는다. 단 세 행의 코드지만 각 행이 무슨 작업을 하는지 투명하지 않다. 자바 8에서는 위 코드를 아래처럼 구현할 수 있다.

File[] hiddenFiles = new File(".").listFiles(File::isHidden);

자바 메서드 참조 :: (이 메서드를 값으로 사용하라는 의미)를 이용해서 listFiles에 직접 전달할 수 있다.

람다 : 익명함수

자바 8에서는 메서드를 일급 값으로 취급할 뿐 아니라 람다(또는 익명함수 anonymous functions)를 포함하여 함수도 값으로 취급할 수 있다.

코드 넘겨주기 : 예제

Apple 클래스와 getColor 메서드가 있고 Apples 리스트를 포함하는 변수 inventory가 있다고 가정하자. 이때 모든 녹색 사과를 선택해서 리스트를
반환하는 프로그램을 구현해보자.

• 자바 8 이전 방식

public static List<Apple> filterGreenApples(List<Apple> inventory) {
  List<Apple> result = new ArrayList<>();
  for(Apple apple : inventory) {
    if(GREEN.equals(apple.getColor())) {
      result.add(apple);
    }
  }
  return result;
}

하지만 누군가는 사과를 무게 150그람 이상으로 필터링 하고 싶을 수 있다. 그러면 우리는 다음처럼 코드를 구현할 수 있을 것이다.

public static List<Apple> filterHeavyApples(List<Apple> inventory) {
  List<Apple> result = new ArrayList<>();
  for(Apple apple : inventory) {
    if(apple.getWeight() > 150) {
      result.add(apple);
    }
  }
  return result;
}

소프트웨어공학적인면에서 복붙의 단점은 어떤 코드에 버그가 있다면 복붙한 모든 코드를 고쳐야 한다.

자바 8을 기준으로는 아래처럼 고칠 수 있다.

public static boolean isGreenApple(Apple apple) {
  return GREEN.equals(apple.getColor());
}

public static boolean isHeavyApple(Apple apple) {
  return apple.getWeight() > 150;
}

// 명확히 하기위해 적어놓음 
// 보통은 java.util.function에서 임포트함
public interface Predicate<T> {
  boolean test(T t);
}

// 메서드가 p라는 이름의 프레디케이트 파라미터로 전달됨
static List<Apple> filterApples(List<Apple> inventory, Predicate<Apple> p {
  List<Apple> result = new ArrayList<>();
  for(Apple apple : inventory) {
    if(p.test(apple)) {
      result.add(apple);
    }
  }
  return result;
}

// 아래처럼 메서드를 호출할 수 있다.
filterApples(inventory, Apple:isGreenApple);
filterApples(inventory, Apple:isHeavyApple);

프레디케이트(Predicate) 란?

수학에서는 인수로 값을 받아 true나 false를 반환하는 함수를 프레디케이트라고 한다. 나중에 설명하겠지만 자바 8에서도 Function<Apple, Boolean> 같이 코드를 구현할 수 있만 Predicat을 사용하는 것이 더 표준적인 방식이다.(또한 boolean을 Boolean으로 변환하는 과정이 없으므로 더 효율적이다.)

메서드 전달에서 람다로

메서드를 값으로 전달하는 것은 분명 유용한 기능이다. 하지만 isHeavyApple, isGreenApple 처럼 한 두 번만 사용할 메서드를 매번 정의하는 것은
귀찮은 일이다. 자바 8에서는 이 문제도 간단히 해겨랄 수 있다. 바로 람다를 이용하면 된다.

filterApples(inventory, (Apple a) -> GREEN.equals(a.getColor()));

filterApples(inventory, (Apple a) -> a.getWieght() > 150);

즉, 한 번만 사용할 메서드는 따로 정의를 구현할 필요가 없다. 하지만 람다가 몇 줄 이상으로 길어진다면 익명 람다 보다는 코드가 수행하는 일을 잘 설명하는 이름을 가진 메서드를 정의하고 메서드 참조를 활용하는 것이 바람직 하다. 코드의 명확성이 우선시 되어야 한다.

스트림

거의 모든 자바 애플리켕션은 컬렉션을 만들고 활용한다. 하지만 컬렉션으로 모든 문제가 해결되는 것은 아니다.

예를 들어 고가의 트랜잭션(transaction)(거래) 만 필터링한 다음에 통화로 결과를 그룹화 해야 한다고 가정하자. 아래와 같은 많은 기본 코드를 구현해야한다.

Map<Curreny, List<Transaction>> transactionByCurrencies = new HashMap<>(); // 그룹화된 트랜잭션을 더할 Map 생성
for(Transaction transaction : transactions) {
  if(transaction.getPrice() > 1000) {
    Curreny curreny = transacation.getCurrency(); // 트랜잭션의 통화를 추출
    List<Transcation> transactionsForCurrency = transactionsByCurrencies.get(currency);
    if(transactionsForCurrency == null) {
      transactionsForCurrency = new ArrayList<>();
      transactionsByCurrencies.put(currenc, transcationsForCurrency);
    }
    transactionsForCurrency.add(transacation);
  }
}

위의 예제는 중첩된 제어 흐름 문장이 많아서 코드를 한 번에 이해하기 어렵다.

스트림 API를 이용하면 다음처럼 문제를 해결할 수 있다.

import static java.util.stream.Collectors.groupingBy;
Map<Currency, List<Transaction>> transactionsByCurrencies = transactions.stream()
                                                              .filter((Transcations t) -> t.getPrice() > 1000); // 고가의 트랜잭션 필터링
                                                              .collect(groupingBy(Transcation::geturrency)); // 통화로 그룹화

내부 반복과 외부 반복

외부 반복(external iteration)은 for-each루프를 이용해서 각 요소를 반보갛면서 작업을 수행하는 것들을 말한다. 반면 내부 반복(internal iteration)은 스트림 API와 같이 루프를 신경 쓸 필요 없이, 스트림 API라는 라이브러리 내부에서 모든 데이터가 처리되는 것을 말한다.

멀티 스레딩은 어렵다

자바 8은 스트림(API, java.util.stream)로 컬렉션을 처리하면서 발생하는 모호함과 반복적인 코드 문제와 멀티코어 활용 어려움이라는 두 가지 문제를 모두 해결했다. 컬렉션은 어떻게 데이터를 저장하고 접근할지에 중점을 두는 반면 스트림은 데이터에 어떤 계산을 할 것인지 묘사하는 것에 중점을 둔다.

포킹단계(forking step)

예를들어 두 CPU를 가진 환경에서 리스트를 필터링할 때 한 CPU는 앞 부분을 처리하고, 다른 CPU는 리스트의 뒷 부분을 처리하도록 요청할 수 있는데 이 과정을 포킹 단계라고 한다. 각각의 cpu는 자신이 맡은 절반의 리스트를 처리하고, 마지막으로 하나의 cpu가 두 결과를 정리한다.

자바 8에서 제공하는 두 가지 요술방망이

흔히 사람들은 자바의 병렬성은 어렵고 synchronized는 쉽게 에러를 일으킨다고 생각한다. 자바8은 어떤 요술방망이를 제공할까?

자바 8은 두 가지 요술 방망이를 제공한다. 우선 라이브러리에서 분할을 처리한다. 즉, 큰 스트림을 병렬로 처리할 수 있도록 작은 스트림으로 분할한다.
또한 filter 같은 라이브러리 메서드로 전달된 메서드가 상호작용을 하지 않는다면 가변 공유 객체를 통해 공짜로 병렬성을 누릴 수 있다.
상호작용을 하지 않는다는 제약은 프로그래머 입장에서 상당히 자연스러운 일이다. 함수형 프로그래밍에서 함수란 함수를 일급값으로 사용한다라는 의미도 있지만, 부가적으로 프로그램이 실행되는 동안 컴포넌트 간에 상호작용이 일어나지 않는다라는 의미도 포함한다.

디폴트 메서드와 자바 모듈

자바 9의 모듈 시스템은 모듈을 정의하는 문법을 제공하므로 이를 이용해 패키지 모음을 포함하는 모듈을 정의할 수 있다.
또한 자바 8에서는 인터페이스를 쉽게 바꿀 수 있도록 디폴트 메서드를 지원한다.

디폴트 메서드는 특정 프로그램을 구현하는 데 도움을 주는 기능이 아니라 미래에 프로그램이 쉽게 변화할 수 있는 환경을 제공하는 기능이다.

어떻게 기존의 구현을 고치지 않고도 이미 공개된 인터페이스를 변경할 수 있을까라는 딜레마를 디폴트 메서드가 해소시켜준다.

기존에는 인터페이스에 메서드가 하나 추가되면 인터페이스를 사용하는 모든 곳에서 메서드를 추가해야하지만, 디폴트 메서드는 구현하지 않아도 되는 메서드이다. 메서드 본문(bodies)은 클래스 구현이 아니라 인터페이스 일부로 포함된다.(그래서 이를 디폴트 메서드라고 한다.)

함수형 프로그래밍에서 가져온 다른 유용한 아이디어

1965년에 널 참조를 발명했던 일을 회상하며 그 결정은 정말 뼈아픈 실수였다고 반성하고 있다.. 단지 구현이 편리하단 이유로 널 참조를 만들어야 겠다는
유혹을 뿌리치지 못했다. -> 토니 호아레(Tony Hoare)는 2009년 QCon London의 프레젠테이션에서 위 와같은 말을 했다.

자바 8에서는 NullPointer 예외를 피할 수 있도록 도와주는 Optional<T> 클래스를 제공한다. Optional는 값을 갖거나 갖지 않을 수 있는 컨테이너 객체이다.