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자바2 1.4에 새롭게 추가된 NIO API의 특징 중 버퍼와 채널에 대해서 살펴본다.

New I/O API

자바2 1.4에는 기존해 확장 API로 존재했던 보안 관련 API를 비롯하여 다양한 API가 포함되었으며, 정규표현식이나 로깅, 설정과 같이 어플리케이션을 개발하는 데 필요로 하는 다양한 기능들이 새롭게 추가되었다. NIO(New IO) API는 이렇게 1.4 버전에 새롭게 추가된 API 중의 하나인데, 반드시 알고 있어야 할 매우 중요한 API라 할 수 있다.

NIO API는 자바 1.3 버전까지 사용해왔던 기존 IO API와는 비교가 안될 정도로 성능, 확장성 등에서 뛰어나게 설계되어 있다. 특히 논-블럭킹(Non-blocking) 입출력과 데이터 버퍼링 기능을 사용하여 기존 버전에서는 상상도 할 수 없을 정도의 뛰어난 성능을 지닌 서버 프로그램을 개발할 수 있게 되었다.

본 글에서는 NIO API를 구성하고 있는 네 가지 기본 요소에 대해서 살펴보고, 네 가지 요소 중 버퍼와 채널에 대해서 살펴보도록 하자.

NIO API의 네 가지 핵심 요소

NIO API는 Buffer, Charset, Channel 그리고 Selector의 네가지 핵심 요소로 구성되어 있는데, 이들 네 요소는 각각 다음과 같은 기능을 제공한다.

  • Buffer - 버퍼를 나타낸다. 기본 데이터 타입에 대한 버퍼가 각각 존재하며 입출력 데이터를 임시로 저장할 때 사용된다.
  • Charset - 캐릭터셋을 나타낸다. 바이트 데이터와 문자 데이터를 인코딩/디코딩할때 사용된다.
  • Channel - 데이터가 통과하는 스트림을 나타낸다. 소켓, 파일, 파이프 등 다양한 입출력 스트림에 대한 채널이 존재한다.
  • Selector - 하나의 쓰레드에서 다중의 채널로부터 들어오는 입력 데이터를 처리할 수 있도록 해 주는 멀티플렉서(multiplexer)이다. 논블럭킹 입출력을 위한 핵심 요소이다.
Buffer

Buffer는 byte, char, int 등 기본 데이터 타입을 저장할 수 있는 저장소로서, 배열과 마찬가지로 제한된 크기(capacity)에 순서대로 데이터를 저장한다. Buffer는 데이터를 저장하기 위한 것이지만, 실제로 Buffer가 사용되는 것은 채널을 통해서 데이터를 주고 받을 때이다. 채널을 통해서 소켓, 파일 등에 데이터를 전송할 때나 읽어올 때 버퍼를 사용하게 됨으로써 가비지량을 최소화시킬 수 있게 되며, 이는 가비지 콜렉션 회수를 줄임으로써 서버의 전체 처리량(throughput)을 증가시켜준다.

NIO API는 다음과 같이 모든 버퍼가 상속받아야 할 한개의 추상 클래스와 8개의 Buffer를 제공한다.

java.nio.Buffer 모든 버퍼가 상속받는 추상 클래스
java.nio.ByteBuffer byte 타입의 데이터를 저장하는 버퍼. 다이렉트(direct) 버퍼와 논다이렉트(nondirect) 버퍼가 존재하며, ReadableByteChannel과 WritableByteChannel을 통해서 데이터를 입출력할 수 있다.
java.nio.MappedByteBuffer byte를 저장하는 버퍼로서 항상 다이렉트이다. 파일의 특정 영역을 메모리에 매핑시킬 때 사용된다.
java.nio.CharBuffer char를 저장하며, 다이렉트 또는 논다이렉트 버퍼일 수 있다. 채널에 쓸 수 없다.
java.nio.DoubleBuffer double을 저장하며, 다이렉트 또는 논다이렉트 버퍼일 수 있다. 채널에 쓸 수 없다.
java.nio.FloatBuffer float을 저장하며, 다이렉트 또는 논다이렉트 버퍼일 수 있다.
java.nio.IntBuffer int 데이터를 저장하며, 다이렉트 또는 논다이렉트 버퍼일 수 있다.
java.nio.LongBuffer int 데이터를 저장하며, 다이렉트 또는 논다이렉트 버퍼일 수 있다.
java.nio.ShortBuffer int 데이터를 저장하며, 다이렉트 또는 논다이렉트 버퍼일 수 있다.

위 표를 보면 boolean을 제외한 나머지 기본 데이터 타입에 대한 Buffer가 존재하는 것을 알 수 있으며, MappedByteBuffer를 제외한 나머지 버퍼들은 다이렉트이거나 논다이렉트 버퍼일 수 있다는 것도 확인할 수 있다. 다이렉트/논다이렉트 버퍼에 대해서는 잠시 뒤에 살펴볼 것이며, 여기서는 먼저 버퍼의 속성인 용량(capacity), 제한크기(limit), 위치(position)에 대해서 살펴보도록 하자.

다이렉트냐 논다이렉트냐에 따라서 다르지만, 추상적으로 Buffer는 배열과 비슷한 형태로 데이터를 저장하고 있다고 생각하면 된다. 이때 Buffer는 배열과 마찬가지로 포함할 수 있는 데이터의 총 크기를 갖고 있으며, 이를 용량(capacity)라고 한다. 또한, Buffer에서 다음에 읽거나 쓰는 부분을 위치(position)라고 한다. 대부분의 버퍼는 다이렉트 버퍼를 생성할 수 있는 메소드인 allocateDirect() 메소드를 제공하는데, 만약 다음과 같이 ByteBuffer를 생성했다면 그림1과 같이 byte 버퍼가 생성될 것이다.

  ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(8);

그림1 - 버퍼 생성시 용량, 제한크기, 위치의 초기값

그림1을 보면 초기 제한크기는 버퍼의 용량과 동일한 것을 알 수 있다. 일단 버퍼를 생성하면 버퍼에 데이터를 삽입할 수 있게 된다. 모든 Buffer 클래스는 데이터를 삽입할 때 사용되는 putXXX() 형태의 메소드를 제공하고 있다. 예를 들어, ByteBuffer의 경우는 putByte(byte b), putChar(char c) 등 다양한 데이터 타입을 바이트로 저장할 수 있는 메소드를 제공하고 있으며, 다른 Buffer 클래스들 역시 각각 알맞은 메소드를 제공하고 있다.

Buffer에 데이터를 저장하면 위치는 저장한 만큼 뒤로 이동하게 된다. 예를 들어, 다음과 같이 3 바이트의 데이터를 저장했다고 해 보자.

  buf.putByte( (byte)0xAB );
  buf.putShort( (short)0xCDEF ); 

이 경우 그림2와 같이 위치값이 3으로 변경된다.

그림2 - 데이터를 삽입한 이후의 위치값 변화

Buffer의 위치값이 제한크기(limit)와 같아지면 더 이상 Buffer에 데이터를 삽입할 수 없게 된다. 제한크기의 값은 limit(int newlimit) 메소드를 사용하여 변경할 수 있으며, 만약 위치가 제한크기까지 도달한 상태에서 데이터를 삽입하려고 하면 java.nio.BufferOverflowException이 발생할 것이다. 비슷하게 제한크기 이후에 위치한 데이터를 읽어오려고 할 경우에는 BufferUnderflowException이 발생하게 된다. 즉, 제한크기는 실제 버퍼의 크기인 용량에 상관없이 사용자가 사용할 수 있는 가상의 버퍼 제한 영역을 표시한다고 생각하면 된다.

원하는 만큼 버퍼에 데이터를 삽입하는 이유는 삽입한 데이터를 사용하기 위해서이다. 각각의 Buffer 클래스는 데이터를 참조할 수 있는 메소드인 getXXX() 형태의 메소드를 제공하고 있다. 하지만, get() 메소드를 사용하거나 채널에 버퍼에 저장된 데이터를 출력하기 위해서는 먼저 위치값을 읽어올 데이터의 인덱스로 변경해야 하고 제한크기를 알맞게 변경해주어야 한다. 예를 들어, 그림2의 경우는 처음부터 데이터를 읽어오기 위해서는 위치값을 0으로 변경해주어야 하며, 또한 저장한만큼의 데이터를 읽어오기 위해서는 제한크기를 3으로 변경해주어야 한다.

위치값과 제한크기는 position(int) 메소드나 limit(int) 메소드를 사용하여 변경할 수 있지만, flip() 메소드를 사용하여 변경할 수도 있다. flip() 메소드는 제한크기를 현재 위치값으로 변경하고 난 후 위치값을 0으로 초기화해준다. 예를 들어, 그림2 상태에서 flip() 메소드를 호출하면 그림3과 같이 위치와 제한크기의 값이 변경된다.

그림3 - flip() 메소드 호출 후 위치값과 제한크기의 변화

flip() 메소드를 실행하면 버퍼의 처음부터 데이터를 읽어올 수 있게 되며, 또한 채널을 통해서 버퍼에 있는 데이터를 모두 출력할 수 있게 된다.

flip() 메소드 뿐만 아니라 Buffer는 rewind() 메소드와 clear() 메소드를 제공해주고 있다. rewind() 메소드는 위치값을 0으로 변경해주어 버퍼의 처음부터 사용할 수 있도록 해 주며, clear() 메소드는 위치값을 0으로 제한크기를 용량으로 변경해주고 버퍼의 내용을 비워주어 버퍼를 초기 상태로 만들어준다.

Direct vs Nondirect

Buffer에는 다이렉트 방식과 논다이렉트 방식이 존재한다. 다이렉트 방식의 Buffer는 연속된 메모리 블럭을 할당하며 원시 접근 메소드를 사용하여 메모리 블럭의 데이터를 읽고 쓴다. 반면에 논다이렉트 방식의 Buffer는 자바의 배열을 데이터 저장소로 사용한다.

ByteBuffer의 경우 allocateDirect() 메소드를 사용하여 다이렉트 버퍼를 생성하는데, 다이렉트 버퍼를 생성할 때에는 일반적인 자바 배열을 사용하는 경우 메모리를 할당하고 해제할 때 논다이렉트 버퍼에 비해 더 많은 시간이 소비되는 반면에 원시 메소드를 사용하기 때문에 입출력 처리 속도는 빠르다. 따라서, 다이렉트 버퍼의 경우는 크고 지속적으로 사용되는 버퍼에 알맞다.

논다이렉트 버퍼의 경우는 wrap() 메소드를 사용하여 생성한다. 예를 들어, ByteBuffer의 경우는 다음과 같은 방법으로 논다이렉트 버퍼를 생성한다.

   byte[] buff = new byte[512];
   ByteBuffer nonDirect = ByteBuffer.wrap(buff);

논다이렉트 버퍼는 자바의 배열을 사용하기 때문에 원시 메소드 호출이 이루어지지 않으며 자바의 기본적인 배열 접근 방식을 통해서 버퍼를 관리하게 된다. 논다이렉트 버퍼의 경우는 다이렉트 버퍼에 비해 메모리를 할당하거나 해제하는 시간이 적게 들지만, 입출력 속도는 원시 메소드를 사용하는 것보다 느리다. 따라서, 논아디렉트 버퍼는 임시적으로 사용하고자 할 때 주로 사용된다.

Channel

이제 버퍼가 실제로 사용되는 채널(channel)에 대해서 살펴볼 차례이다. 간단하게 말해서 채널은 데이터가 통과하는 쌍방향 통로라고 생각하면 되는데, 채널에서 데이터를 주고 받을 때 사용되는 것이 바로 버퍼이다. 채널에는 소켓과 연결된 SocketChannel, 파일과 연결된 FileChannel, 파이프와 연결된 Pipe.SinkChannel과 Pipe.SourceChannel 등이 존재하며, 서버소켓과 연결된 ServerSocketChannel도 존재한다.

채널은 기존에 존재하는 Socket, ServerSocket, FileInputStream, FileOutputStream 등은 그와 관련된 채널을 리턴해주는 getChannel() 메소드를 제공하고 있다. 모든 채널 클래스들은 public 생성자를 제공하고 있지 않으며, 따라서 채널을 생성하기 위해서는 기존의 스트림, 소켓, 서버 소켓 클래스의 getChannel() 메소드를 사용해야한다. SocketChannel이나 ServerSocketChannel의 경우에는 static 메소드인 open() 메소드를 제공하고 있는데, 이 메소드를 사용하여 해당 채널을 구할 수도 있다.

예를 들어, 간단한 파일 복사 프로그램을 FileChannel을 사용해서 작성해보자. 파일 복사 프로그램은 두 개의 FileChannel을 사용하여 작성하면 된다. 한 파일 채널은 파일로부터 데이터를 읽어올 때 사용될 것이며, 또 다른 파일 채널은 파일에 데이터를 출력할 사용된다.

FileChannel을 생성하기 위해서는 해당하는 스트림의 getChannel() 메소드를 사용해야 한다. 즉, 다음과 같이 FileInputStream.getChannel() 메소드와 FileOutputStream.getChannel() 메소드를 사용해서 FileChannel을 구하면 된다.

    FileChannel inputChannel = null;
    FileChannel outputChannel = null;
    try {
        FileIntputStream is = new FileInputStream(source);
        FileOutputStream out = new FileOutputStream(dest);
        inputChannel = is.getChannel();
        outputChannel = out.getChannel();        
        ...
        
    } catch(IOException ex) {
        //
    } finally {
        //
    }

일단 채널을 생성하면 Buffer를 사용하여 데이터를 입출력하면 된다. 다음은 버퍼를 생성한 후 inputChannel로부터 데이터를 읽어와 outputChannel로 데이터를 출력해주는 코드이다.

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(512);
    int len = -1;
    while ( (len = inputChannel.read(buffer)) != -1) {
        if (len == 512) {
            buffer.position(0);
        } else {
            buffer.flip();
        }
        outputChannel.write(buffer);
        if (len == 512) {
            buffer.rewind();
        } else {
            buffer.clear();
        }
    }

채널의 사용이 끝나면 채널의 close() 메소드를 사용하여 채널을 닫아주어야 한다.

채널의 종류

현재 나와 있는 자바2 1.4 베타3 버전에는 다음과 같은 종류의 채널이 존재한다.

  • FileChannel - 파일에 대한 입출력 채널
  • Pipe.SinkChannel - 파이프에 데이터를 출력하는 채널
  • Pipe.SourceChannel - 파이프로부터 데이터를 입력받는 채널
  • ServerSocketChannel - 클라이언트의 연결 요청을 처리하는 서버 소켓 채널
  • SocketChannel - 소켓과 연결된 채널
  • DatagramChannel - DatagraSocket과 연결된 채널
이들 채널은 입출력이 동시에 이루어지는 것도 있고 또한 그렇지 않은 것도 존재하는데, 채널의 입출력 가능 여부는 그 채널이 어떤 인터페이스를 구현했느냐에 따라서 달라진다. 예를 들어, 입력이 가능한 채널은 ReadableByteChannel 인터페이스를 구현하도록 되어 있으며, 출력이 가능한 채널은 WritableByteChannel 인터페이스를 구현하도록 되어 있다. 따라서, 동시에 입출력이 가능한 SocketChannel의 경우에는 이 두 인터페이스를 모두 구현하고 있으며, 입력만 가능한 Pipe.SourceChannel의 경우에는 ReadableByteChannel 인터페이스만 구현하고 있다.

FileChannel과 MappedByteBuffer

FileChannel과 관련해서 알아두어야 할 것이 있는데, 그것은 바로 파일의 내용을 메모리에 매핑시켜서 버퍼로 사용할 수 있는 기능이다. FileChannel.map() 메소드는 파일의 특정 영역의 데이터가 매핑된 메모리 영역을 버퍼 영역으로 사용하는 MappedByteBuffer를 리턴해준다. MappedByteBuffer는 ByteBuffer를 상속받고 있으며, 물리적 메모리에 직접적으로 접근하는 다이렉트 버퍼의 일종으로서 ByteBuffer와 동일하게 동작한다. 그림4는 MappedByteBuffer의 기본 개념을 보여주고 있다.

그림4 - MappedByteBuffer

그림4에서 볼 수 있듯이 MappedByteBuffer는 파일의 특정 영역의 데이터를 메모리상에 표현하고 있는데, 여기서 중요한 점은 파일의 해당 영역의 데이터가 변경되며 메모리에 있는 데이터도 함께 변경된다는 점이다. (실제로는 하부의 운영체제에 따라서 변경여부가 결정된다.) 또한, MappedByteBuffer.force() 메소드를 사용하여 메모리에서 변경된 내용을 파일의 매핑된 영역에 반영할 수도 있다.

MappedByteBuffer는 FileChannel로부터 만들어지고, FileChannel은 FileInputStream, FileOutputStream 또는 RandomAccessFile로부터 생성된다. 여기서 FileInputStream, FileOutputStream 그리고 RandomAccessFile은 각각 입력, 출력 가능 여부가 다르다. 예를 들어, FileInputStream의 경우는 입력만 가능한 반면에 RandomAcceeFile은 입출력이 동시에 가능하도록 만들어질 수 있다.

이처럼 파일 입출력 스트림은 읽기/쓰기 여부가 스트림의 종류에 따라서 다르기 때문에 MappedByteBuffer도 읽기 전용과 읽기 쓰기 겸용으로 구분된다. 또한, 파일로부터 데이터만 읽어오고 파일 데이터의 변경 여부는 반영하지 않는 MappedByteBuffer도 존재한다. 이처럼 MappedByteBuffer에는 3가지 종류가 존재하기 때문에 FileChannel.map() 메소드는 다음과 같이 어떤 버퍼를 생성할 지의 여부를 파라미터로 전달받도록 되어 있다.

    public MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode, long position, int size)

위 메소드 정의에서 FileChannel.MapMode가 어떤 MappedByteBuffer를 생성할지의 여부를 지정하기 위해 사용된다. FileChannel.MapMode 클래스는 다음과 같이 3 개의 상수를 사용하여 생성할 MappedByteBuffer의 종류를 지정할 수 있도록 하고 있다.

  • FileChannel.MapMode.PRIVATE - 파일에 영향을 미치지 않고 받지 않는 버퍼를 생성한다.
  • FileChannel.MapMode.READ_ONLY - 읽기 전용 버퍼를 생성한다.
  • FileChannel.MapMode.READ_WRITE - 읽기/쓰기 버퍼를 생성한다.
FileChannel.map() 메소드의 두번째 세번째 파라미터는 각각 MappedByteBuffer에 저장할 파일의 시작 위치와 시작 위치로부터 읽어올 데이터 길이를 나타낸다.

결론

1부에서는 NIO API를 사용하는 데 있어서 가장 기본이 되는 버퍼와 채널에 대해서 살펴보았다. 버퍼를 사용함으로써 데이터를 입출력할 때 성능향상을 일으킬 수 있다. 또한, NIO API가 제공하는 버퍼는 물리적 메모리에 버퍼를 생성하고 원시 메소드를 통해서 접근하는 다이렉트 버퍼를 제공함으로써 자바 배열로는 제공할 수 없는 뛰어난 성능을 제공하고 있다.

본장에서는 단순히 채널이 데이터가 통과하는 연결통로라는 것에 대해서만 언급했는데, 실제로 NIO API의 주요 기능은 채널과 실렉터를 이용한 논블럭킹 입출력이다. 다음 2부에서는 Charset을 이용한 캐릭터셋의 변환과 Selector를 이용한 논블럭킹 입출력에 대해서 살펴볼 것이다.

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Posted by 최범균 madvirus

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  1. 함경호 2014.11.08 16:26 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    이글이 12년이나 됬네요. 이제 프로그래밍시작하는 입문자가 잘 읽고 많이 배워갑니다.
    감사합니다.

  2. k드래곤 2015.01.16 14:42 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    감사합니다.
    java 1.2시절에 하다가 오랜만에 보니 이런게 생겨있네요
    너무 잘 정리해 주셔서 감사감사
    이 글 없었으면 겁나 영어공부만 할뻔 했어요... ^^

  3. 남준호 2016.02.17 14:00 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    와 감사합니다!!!!!! 밀도있는 이해가 되는군요

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