[모던 자바 인 액션] 1장 Java 8, 9, 10, 11 : 무슨 일이 일어나고 있는가?

✏️[모던 자바 인 액션, 전문가를 위한 자바 8, 9, 10 기법 가이드] 스터디 관련 책 내용을 정리한 글입니다.

📌 이 장의 내용

• 자바가 거듭 변화하는 이유
• 컴퓨팅 환경의 변화
• 자바에 부여되는 시대적 변화 요구
• 자바 8과 자바 9의 새로운 핵심 기능 소개

---

1.1 역사의 흐름은 무엇인가?

자바 역사를 통틀어 가장 큰 변화가 자바 8에서 일어났다.

자바 1.0 : 스레드와 스레드 락, 메모리 모델을 지원하지만, 저수준 기능 활용 힘듦
자바 5 : 스레드 풀, 병렬 실행 컬렉션 등의 아주 강력한 도구 도입
자바 7 : 병렬 실행에 도움을 줄 수 있는 포크 및 프레임워크를 제공했지만 활용 어려움
자바 8 : 스트림 API, 메서드 참조와 람다, 인터페이스와 디폴트 메서드 제공

---

1.2 왜 아직도 자바는 변화하는가?

1.2.1 프로그래밍 언어 생태계에서 자바의 위치

자바는 캡슐화 덕분에 C에 비해 소프트웨어 엔지니어링적인 문제가 훨씬 적고, 객체지향의 정신적인 모델 덕분에 '모든 것은 객체다'로 요약할 수 있습니다.

1.2.2 스트림 처리

스트림이란 한 번에 한 개씩 만들어지는 연속적인 데이터 항목들의 모임입니다.

자바 8에서는 java.util.stream 패키지에 스트림 API가 추가되었습니다. 스트림 패키지에 Stream <T>는 T형식으로 구성된 일련의 항목을 의미합니다. 우선, 스트림 API를 조립라인처럼 어떤 항목을 연속으로 제공하는 기능이라고 생각하면 됩니다. 스트림 API의 핵심은 기존에 한 번에 한 항목을 처리했던 작업을 고수준으로 추상화해서 일련의 스트림으로 만들어 처리한다는 것이다. 또한, 스트림 파이프라인을 이용해서 입력 부분을 여러 CPU 코어에 쉽게 할당할 수 있다는 부가적인 이득도 얻을 수 있습니다. 그리고 스레드라는 복잡한 작업을 사용하지 않으면서 병렬성도 얻을 수 있습니다.

1.2.3 동작 파라미터화로 메서드에 코드 전달하기

코드의 일부를 API로 전달하는 기능을 동작 파라미터화라고 부릅니다.

💡 동작 파라미터화가 왜 중요할까?

스트림 API는 연산의 동작을 파라미터 화할 수 있는 코드를 전달한다는 사상에 기초하기 때문입니다.

1.2.4 병렬성과 공유 가변 데이터

스트림 메서드로 전달하는 코드의 동작 방식을 조금 바꿔 병렬성을 얻을 수 있습니다. 스트림 메서드로 전달하는 코드는 다른 코드와 동시에 실행하더라도 안전하게 실행될 수 있어야 합니다. 보통 다른 코드와 동시에 실행하더라도 안전하게 실행할 수 있는 코드를 만들려면 공유된 가변 데이터에 접근하지 않아야 합니다. 하지만 공유된 변수가 객체가 있으면 병렬성에 문제가 발생합니다.

기존처럼 synchronized를 이용해서 공유된 가변 데이터를 보호하는 규칙을 만들 수 있습니다. 하지만, 자바 8을 이용하면 기존의 자바 스레드 API보다 쉽게 병렬성을 활용할 수 있습니다. 다중 프로세싱 코어에서 synchronized를 사용하면 생각보다 훨씬 더 비싼 대가를 치러야 할 수 있습니다.

공유되지 않은 가변 데이터, 메서드, 함수 코드를 다른 메서드로 전달하는 두 가지 기능은 함수형 프로그래밍 패러다임의 핵심적인 사항입니다. 반면, 명령형 프로그래밍 패러다임에서는 일련의 가변 상태로 프로그램을 정의합니다.

---

1.3 자바 함수

프로그래밍 언어에서 함수(function)라는 용어는 메서드(method), 특히 정적 메서드(static method)와 같은 의미로 사용됩니다. 자바의 함수는 이에 더해 수학적인 함수처럼 사용되며 부작용을 일으키지 않은 함수를 의미합니다.

프로그래밍의 핵심은 값을 바꾸는 것이고, 이 값을 일급 값(시민)이라고 부릅니다. 자바 프로그래밍 언어의 다양한 구조체(메서드, 클래스 같은)가 값의 구조를 표현하는 데 동무가 될 수 있습니다. 하지만 프로그램을 실행하는 동안 이러한 모든 구조체를 자유롭게 전달할 수는 없습니다. 이렇게 전달할 수 없는 구조체는 이급 값(시민)입니다. 위에서 언급한 값은 모두 일급 자바 시민이지만 메서드, 클래스 등은 이급 자바 시민에 해당합니다. 

인스턴스화한 결과가 값으로 귀결되는 클래스를 정의할 때 메서드를 유용하게 활용할 수 있지만 메서드와 클래스는 그 자체로 값이 될 수 없습니다. 예를 들어, 런타임에 메서드를 전달할 수 있다면 즉, 메서드를 일급 시민으로 만들면 프로그래밍에 유용하게 활용할 수 있습니다.

따라서, 자바 8 설계자들은 이급 시민을 일급 시민으로 바꿀 수 있는 기능을 추가했습니다.

1.3.1 메서드와 람다를 일급 시민으로

자바 8의 설계자들은 메서드를 값으로 취급할 수 있게 설계하기로 했습니다. 자바 8에서 메서드를 값으로 취급할 수 있는 기능은 스트림 같은 다른 자바 8의 기능을 토대로 제공했습니다.

첫 번째로 메서드 참조라는 새로운 자바 8의 기능이 있습니다.

// 자바 8 이전
File[] hiddenFiles = new File(".").listFiles(new FileFilter() {
    public boolean accept(File file) {
        return file.isHidden(); // 숨겨진 파일 필터링
    }
});

// 자바 8 이후
File[] hiddenFiles = new File(".").listFiles(File::isHidden);

자바 8의 메서드 참조 :: 를 이용해서 isHidden 함수를 listFiles에 직접 전달할 수 있습니다. 자바 8에서는 더 이상 메서드는 이급 값이 아닌 일급 값입니다. 기존의 객체 참조(new 키워드로 객체를 참조)로 객체를 주고받았던 것처럼 자바 8에서 File::isHidden 메서드 참조를 만들어 전달할 수 있습니다.

람다 : 익명 함수
자바 8에서는 메서드를 일급 값으로 취급할 뿐 아니라 람다(익명 함수)를 포함하여 함수도 값으로 취급할 수 있습니다.
직접 메서드를 정의할 수도 있지만, 이용할 수 있는 클래스나 메서드가 없을 때 새로운 람다 문법을 이용하면 코드를 간결하게 할 수 있습니다.

1.3.2 코드 넘겨주기 : 예제

Apple 클래스와 getColor 메서드가 있고, Apples 리스트를 포함하는 변수 inventory가 있습니다.

이때, 모든 녹색 사과를 선택해서 리스트를 반환하는 프로그램을 구현하면 다음과 같습니다.

// 사과를 녹색으로 필터링하고싶으면 다음처럼 코드를 구현하면 됩니다.
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;
}

// 사과를 무게로 필터링하고 싶으면 다음처럼 코드를 구현하면 됩니다.
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;
}

자바 8에서는 다음과 같이 구현할 수 있습니다.

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

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

public 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;
}

// 다음처럼 메서드를 호출할 수 있습니다.
filterApples(inventory, Apple::isGreenApple);
filterApples(inventory, Apple::isHeavyApple);

프레디케이트(predicate)란 무엇인가?
수학에서는 인수로 값을 받아 true나 false로 반환하는 함수를 프레디케이트라고 합니다.
자바 8에서 Function <Apple, Boolean> 같이 코드를 구현할 수 있지만 Predicate <Apple>을 사용하는 것이 더 표준적인 방식입니다.

1.3.3 메서드 전달에서 람다로

한 두 번만 사용할 메서드를 매번 정의하는 문제가 생기면 자바 8에서 익명 함수 또는 람다라는 개념을 이용해 해결할 수 있습니다.

filter(inventory, (Apple a) -> Green.equals(a.getColor()));

//또는 다음과 같이 구현할 수 있습니다.
filterApples(inventory, (Apple a) -> a.getWeight() > 150);
filterApples(inventory, (Apple a) -> a.getWeight() < 80 || RED.equals(a.getColor()));

즉, 한 번만 사용할 메서드는 따로 정의를 구현할 필요가 없습니다. 하지만 람다가 몇 줄 이상으로 길어진다면, 코드가 수행하는 일을 잘 설명하는 이름을 가진 메서드를 정의하고 메서드 참조를 활용하는 것이 좋습니다.

---

1.4 스트림

기존의 컬렉션 API에서는 for-each 루프를 통한 반복 과정을 직접 처리했습니다. 이러한 방식을 외부 반복(external iteration)이라고 합니다. 반면, 스트림 API를 이용하면 루프를 신경 쓸 필요가 없습니다. 내부 반복(internal iteration) 방식을 사용해 API 내부에서 모든 데이터가 처리되기 때문입니다.

1.4.1 멀티 스레딩은 어렵다.

자바 8은 스트림 API로 컬렉션을 처리하면서 발생하던 두 가지 문제를 해결했습니다.

컬렉션을 처리하면서 발생하는 모호함과 반복적인 코드의 문제 그리고 멀티 코어의 활용이 어렵다는 점이다.

컬렉션은 어떻게 데이터를 저장하고 접근할지에 중점을 두고, 스트림은 데이터에 어떤 계산을 할 것인지 묘사하는 것에 중점을 둡니다.

---

1.5 디폴트 메서드와 자바 모듈

자바 9의 모듈 시스템은 모듈을 정의하는 문법을 제공하므로 이를 이용해 패키지 모음을 포함하는 모듈을 정의할 수 있습니다. 모듈 덕분에  JAR 같은 컴포넌트에 구조를 적용할 수 있으며 문서화와 모듈 확인 작업이 용이해졌습니다. 또한, 자바 8에서는 인터페이스를 쉽게 바꿀 수 있도록 디폴트 메서드를 지원합니다. 예를 들어, 자바 8에서 List에 sort 메서드를 직접 호출할 수 있는데, 자바 8의 List 인터페이스에 sort 메서드가 디폴트 메서드로 추가되었기 때문입니다.

default void sort(Comparator<? super E> c) {
    Collections.sort(this, c);
}

인터페이스에 새로운 메서드를 추가한다면 인터페이스를 구현하는 모든 클래스는 새로 추가된 메서드를 구현해야 합니다. 결정적으로 자바 8은 구현 클래스에서 구현하지 않아도 되는 메서드를 인터페이스에 추가할 수 있는 기능을 제공합니다. 디폴트 메서드를 이용하면 기존의 코드를 건드리지 않고 원래의 인터페이스 설계를 자유롭게 확장할 수 있습니다.

자바 8에서는 인터페이스 규격 명세에 default라는 새로운 키워드를 지원해 줍니다.

---

1.6 함수형 프로그래밍에서 가져온 다른 유용한 아이디어

예를 들어, 함수형 언어에서는 명시적으로 서술형의 데이터를 이용해서 Null을 회피하는 기법이 있습니다. 자바 8에서는 NPE를 피할 수 있도록 도와주는 Optional <T> 클래스를 제공해 줍니다. Optional <T>는 값을 갖거나 갖지 않을 수 있는 컨테이너 객체이며, 값이 없는 상황을 어떻게 처리할지 명시적으로 구현하는 메서드를 포함하고 있습니다. 따라서 , Optional <T>를 사용하면 NPE를 피할 수 있습니다. 즉, 형식 시스템을 이용해서 변수에 값이 없을 때 어떻게 처리할지 명시할 수 있습니다.