[Java] 스트림 Stream 개념과 Stream API 총정리

🔎 주제

오늘은 Stream API 자체에 대해 다루고자 한다.

✅ Stream

Collection Framework

• 데이터를 저장하고 조작하는 구조와 인터페이스를 제공하는 자바 라이브러리
• List, Set, Map들이 포함되고 데이터를 저장, 검색, 삭제하는 등의 작업을 처리한다.
• 위 구조들에 대해서는 차후 다른 글로 다루겠다.

Stream

• 컬렉션 데이터를 처리하기 위해 데이터 소스와 연결되어 영속된 데이터 흐름을 제공한다.
  • 데이터를 일회성으로 처리하기 위한 도구.
  • 영속: "스트림 작업 후에도 데이터가 변화하지 않고 지속적으로 존재한다"는 뜻이다.
  • 불변성: 처리된 결과도 새로운 데이터로 생성하므로 원본 데이터는 변경되지 않는다.
• 지연 처리: 중간 연산과 최종 연산
  • 중간 연산: 최종 연산이 호출될 때까지 실행되지 않고, 대기하고 있다가 최종 연산이 호출되면 한 번에 동작한다. ex) map(), filter(), sorted()...
  • 최종 연산: 스트림을 소모해서 결과를 생성한다. 최종 연산이 호출되면 이 스트림은 닫혀 사용할 수 없다. -> 데이터 불변성을 보장.
  • 불필요한 연산을 줄여 효율적으로 동작한다.
• 함수형 프로그래밍 스타일을 사용한다.(feat. 람다 표현식)

✅ Stream의 장점

• 가독성이 높다: 함수형 프로그래밍 스타일은 간결하고, 익숙해지면 읽기도 쉽다.
• 쉬운 유지보수: 간결한 데이터 처리 로직이라 수정이 쉽다.
• 병렬 처리를 통한 성능 향상: parallel() 또는 parallelStream()을 사용하면 데이터 처리를 병렬화할 수 있다.

❎ Stream의 단점

• 경우에 따라 오버헤드가 발생할 수 있다. 작은 데이터셋에는 단순한 반복문이 낫다.
• 디버깅이 어렵다.

✅ 주요 Stream API

Stream API는 스트림에 있는 연산 기능을 말한다. 중간 연산과 최종 연산으로 나누어 진다.

• 중간 연산: 데이터를 변화나거나 필터링하는 등 하나의 스트림에서 여러 연산을 연속해서 사용 가능하다.
  • map(), filter(), sorted(), ...
• 최종 연산: 스트림을 소모해서 결과를 생성하므로 하나만 가능하다.
  • forEach(), collect(), reduce(), ...

🛠️ 중간 연산

filter()

조건에 맞는 요소만 선택한다.

List<Integer> numbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
numbers.stream()
    .filter(n -> n >2 )
    .forEach(System.out::println);  
--------------------------
 3
 4
 5

map()

데이터를 변환해서 새로운 형태로 변환한다. 예시에서는 모두 대문자로 바꾼다.

List<String> names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Christine");
names.stream()
     .map(String::toUpperCase)
     .forEach(System.out::println);     
--------------------------
ALICE
BOB
CHRISTINE

flatMap()

중첩된 데이터 구조를 단일 평면 데이터 스트림으로 변환한다. 즉 여러 계층으로 중첩된 데이터를 풀어 플랫하게 만든다.

List<List<String>> nestedList = Arrays.asList(
            Arrays.asList("A", "B"),
            Arrays.asList("C", "D"),
            Arrays.asList("E", "F")
        );

        List<String> flatList = nestedList.stream()
            .flatMap(List::stream)
            .collect(Collectors.toList());
System.out.println(flatList);
--------------------------
[A, B, C, D, E, F]

map()과 다른 점은 "입력 개수와 출력 개수가 반드시 같지는 않다"는 점이다.

map()의 예시에서 입력 데이터와 출력 데이터에서 다음 매핑 관계가 성립한다.

• Alice -> ALICE
• Bob -> BOB
• Christine -> CHRISTINE

하나의 입력에 대해서 하나의 출력 결과가 나오는 1:1 관계이다.

flatMap()에서는 다음 매핑 관계가 성립한다.

• ("A", "B") -> "A", "B"
• ("C", "D") -> "C", "D"
• ("E", "F") -> "E", "F"

nestedList는 중첩 리스트로 각각의 요소에 접근해도 여러 값으로 구성된 리스트이다.
nestedList에서의 stream()은 리스트 ("A" ,"B")라는 하나의 입력을 받아 "A", "B"로 나눈다.

즉 중첩 구조였던 nestedList를 일차원으로 폈다고 볼 수 있다.
collect()를 이용한다면 다음처럼 플랫해진 리스트를 따로 얻을 수 있다.

List<String> flatList = nestedList.stream()
                                .flatMap(List::stream)
                                .collect(Collectors.toList());

sorted()

기준에 따라 정렬한다. 기준을 따로 주지 않아도 알아서 오름차순으로 정렬한다.

numbers.stream()
    .sorted()
    .forEach(System.out::println);

원하는 기준을 넣고 싶다면 Comparator나 Comparator.comparing()을 이용하자.

• Comparator

List<Integer> numbers = Arrays.asList(5, 2, 8, 1, 3);
List<Integer> sorted = numbers.stream()
                                      .sorted((a, b) -> b - a)
                                      .collect(Collectors.toList());    

---

\[8, 5, 3, 2, 1\]

• Comparator.comparing()

List words = Arrays.asList("appleJuice", "banana", "apricot!", "cherry");

List sorted = words.stream()  
.sorted(Comparator.comparing(String::length)) //길이 기준 오름차순  
.collect(Collectors.toList());

---

\[appleJuice, apricot!, banana, cherry\]

distinct()

중복 요소를 제거한다.

List names = Arrays.asList("Alice", "Alice", "Bob", "Cindy");  
names.stream()  
.distinct()  
.forEach(System.out::println);

---

\[Alice, Bob, Cindy\]

skip()

처음 n개의 요소를 건너뛰고 연산한다.

List numbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5);  
numbers.stream()  
.skip(2)  
.forEach(System.out::println);

---

3, 4, 5

limit()

스트림이 가져오는 요소 개수를 n개로 제한한다.

List numbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5);  
numbers.stream()  
.limit(3)  
.forEach(System.out::println);

---

1, 2, 3

---

🛠️ 최종 연산

forEach()

각 요소를 소비한다.

numbers.stream()  
.forEach(System.out::println); // 메소드 레퍼런스 방식

numbers.stream()  
.forEach(num -> {  
System.out.println(num); // 람다 방식  
}); // 각 요소 출력

collect()

결과를 특정 컬렉션으로 반환한다.

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3);  
// 각 요소를 제곱한 리스트로 반환  
List squares = numbers.stream()  
.map(number -> number\*number)  
.collect(Collectors.toList());

// 단어를 키로, 길이를 값으로 하는 맵으로 반환  
List words = Arrays.asList("apple", "banana", "cherry");  
Map<String, Integer> result = words.stream()  
.collect(Collectors.toMap(word -> word, String::length));

reduce()

모든 요소를 결합해서 하나의 결과를 생성한다.

reduce(초기값, 결합방식)방식으로 사용한다.

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

//각 요소의 값 더하기  
int sum = numbers.stream()  
.reduce(0, (a,b) -> a + b); //초기값 0에서부터 두 값을 더함

//최댓값 구하기  
int max = numbers.stream()  
.reduce(Integer.MIN\_VALUE, (a, b) -> a > b ? a : b); // Integer.MIN\_VALUE로 초기화

anyMatch(), allMatch(), noneMatch()

일치하는 요소가 있는지 찾는다. 결과는 boolean으로 반환한다.

• anyMatch(): 일치하는 요소가 하나라도 있으면 true
• allMatch(): 모든 요소가 조건을 만족하면 true
• noneMatch(): 모든 요소가 조건을 만족 못하면 true

List names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Cindy", "Daniel", "Edward", "Felilx");

// false  
boolean hasLongName = names.stream()  
.anyMatch(name -> name.length() > 10);

//true  
boolean allShortNames = names.stream()  
.allMatch(name -> name.length() < 10);

//true  
boolean noNameStartWithZ = names.stream()  
.noneMatch(name -> name.startsWith("z")); // "z" 로 시작하는 이름이 없는지 확인

findFirst(), findAny()

조건을 만족하는 요소를 반환한다.

• findFirst(): 조건을 만족하는 요소 중 첫 번째를 반환한다.
• findAny(): 조건을 만족하는 요소 중 하나를 반환한다. 순차 스트림에서는 첫 번째 요소를, 병렬 스트림에서는 어떤 요소든지 반환될 수 있다.

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

// 4 반환  
Optional first = numbers.stream()  
.filter(n -> n > 3) // 3보다 큰 수만 필터링  
.findFirst(); // 첫 번째 요소 반환

count()

스트림에서 요소의 개수를 반환한다. filter()와 함께 사용해도 좋다.

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

int count = numbers.stream()  
.count(); // 스트림의 요소 개수 세기

int even = numbers.stream()  
.filter(n -> n % 2 == 0) // 짝수만 필터링  
.count(); // 필터링된 요소의 개수

Map에서 Stream API를 쓰는 법

Stream API는 컬렉션 데이터를 처리하기 위한 메소드라고 했다.
이 컬렉션 데이터란, Collection interface를 구현하는 구현체 데이터를 말한다.
여기엔 List, Set 등이 포함된다.

다만 List와 Set만큼 자주 쓰는 Map은 포함되지 않는다!
Collection Interface 중 Set을 활용한다.

Map에서 나올 만한 Set은 key set, value set, entry set이다. 모두 Map에 내장된 메소드를 이용해 구할 수 있다. 이 Set 형태의 데이터들로 Stream API를 쓰면 된다.

• keySet()
• values()
• entrySet()

📋 참고자료

코드잇 스프린트 강의 노트
양성욱 님의 포스팅: [Java] Stream API