[Practical-Java] 14. File NIO (1)

in Java on Java Practical


Java NIO (New Input/Output)는 Java 1.4 버전에서 소개된 입력 및 출력의 새로운 방식으로, 기존의 표준 Java I/O를 보완하여 더 높은 성능과 기능을 제공합니다. Java NIO는 논블로킹(non-blocking) 입출력, 버퍼 관리, 채널(channel)을 이용한 데이터 전송 등의 특징을 가지고 있다.


File NIO

기존의 Java IO 시스템은 스트림 기반의 블로킹 I/O를 사용했는데, 이는 데이터를 읽거나 쓸 때 해당 작업이 완료될 때까지 호출 스레드가 대기 상태에 머무르는 반면, Java NIO는 논블로킹 방식을 지원하여, 데이터를 처리하는 동안에도 다른 작업을 동시에 수행할 수 있게 한다. 그래서 입출력 처리 과정에서 발생할 수 있는 대기 시간을 줄일 수 있다.


1. NIO 주요 구성 요소

  1. 채널(Channel):
    • 채널은 기본적으로 데이터의 소스나 목적지에 대한 연결을 제공한다. 파일, 소켓 등 다양한 데이터 소스와의 입출력 작업을 위한 역할을 한다. 채널은 읽기, 쓰기, 연결, 수락 등 다양한 작업을 지원하며, 채널 자체는 데이터를 직접 저장하지 않는다.
  2. 버퍼(Buffer):
    • 버퍼는 데이터를 저장하는 메모리 구조로, Java NIO에서 데이터 처리의 핵심 요소이다. 버퍼는 데이터를 일시적으로 저장하며, 채널을 통해 데이터를 읽거나 쓰기 전에 중간 저장소로 사용된다.
  3. 셀렉터(Selector):
    • 셀렉터는 단일 스레드를 사용하여 여러 채널의 입출력 상태를 모니터링할 수 있게 해주는 구성 요소입니다. 즉, 하나의 스레드가 여러 채널의 입출력을 동시에 관리(처리)할 수 있게 해주는 구성 요소로 이를 통해 여러 네트워크 연결을 동시에 관리할 수 있으며, 어떤 채널이 데이터를 준비하고 있는지, 어떤 채널이 더 이상 데이터를 받지 않는지 등을 파악할 수 있다. 그래서 셀렉터는 복수 개의 채널 중에서 준비완료된 채널을 선택하는 방법을 제공한다.


2. NIO 특징

  1. 논블로킹 & 비동기 IO: NIO는 채널을 통해 비동기적으로 입출력을 수행할 수 있으며, 논블로킹 방식을 제공하여 IO 작업 중에도 다른 작업을 계속 수행할 수 있습니다.
  2. 버퍼 기반 데이터 처리: 모든 데이터는 버퍼를 통해 처리되므로, 데이터를 한번에 묶어서 빠르게 전송할 수 있는 효율적인 데이터 관리가 가능합니다.
  3. 멀티플렉싱 IO: 셀렉터를 사용하여 하나의 스레드가 여러 IO 채널을 관리할 수 있습니다. 이는 자원의 효율적 사용과 시스템의 성능 향상을 돕습니다.

Java NIO는 서버가 다수의 클라이언트와 동시에 통신해야 할 때 매우 유용합니다. 예를 들어, 네트워크 서버를 구현할 때 하나의 스레드로 여러 클라이언트의 연결을 관리하고 데이터를 처리할 수 있다.


3. Java NIO 관련 주요 패키지

패키지명설명
java.nioNIO의 기본, 핵심 클래스와 인터페이스를 정의해 놓은 패키지이다. 네트워크 파일 등의 자원으로부터 데이터를 처리하기 위한 기본 기능을 제공한다.
java.nio.channels파일 채널, TCP 채널, UDP 채널 등의 파일이나 소켓과 같이 I/O 작업을 수행하기 위한 연결 정보가 있는 채널을 정의한다. 특별히 논블로킹 I/O와 멀티 처리 등을 사용하기 위한 기능을 제공한다.
java.nio.channels.spijava.nio.channels 패키지를 위한 서비스 제공자 클래스이다.
java.nio.charset바이트와 유니코드 캐릭터들을 상호 변환하기 위한 캐릭터셋과 인코더, 디코더를 정의한다.
java.nio.charset.spijava.nio.charset 패키지를 위한 서비스 제공자 클래스이다.
java.nio.fileJVM이 파일, 파일 속성, 파일 시스템에 접근하기 위한 클래스와 인터페이스를 제공한다.
java.nio.file.attribute파일 속성에 접근하기 위한 클래스와 인터페이스를 제공합니다.
java.nio.file.spijava.nio.file 패키지를 위한 서비스 제공자 클래스이다.


4. Java IO와 NIO의 차이점

기존 I/O는 Stream 기반으로 작동합니다. 이는 데이터를 순차적(Sync&Blocking)으로 읽고 쓰는 방식이고
NIO는 Non-blocking I/O 모델을 기반으로 Channel과 Buffer를 사용하여 데이터를 Aync 처리한다.

구분IONIO
입출력 방식스트림 방식채널 방식
버퍼 방식논버퍼버퍼
비동기 방식지원 안함지원
블로킹/논블로킹 방식블로킹방식만 지원블로킹/논블로킹 둘다 지원


1. 입출력 방식

  • IO (Stream, 스트림 방식):
    • 데이터는 스트림을 통해 순차적으로 처리된다. 스트림은 데이터가 일방통행으로 흐르는 통로를 의미하며, 입력 스트림과 출력 스트림이 각각 필요하다.
  • NIO (Channel, 체널 방식):
    • 채널은 스트림과 다르게 양방향 입출력이 가능하므로 채널을 통해 데이터가 양방향으로 흐를 수 있다. 채널은 입출력을 동시에 처리할 수 있는 구조로, 데이터를 더 유연하게 다룰 수 있다.

2. 버퍼 방식

  • IO (Non-Buffer, 논버퍼):
    • 스트림은 버퍼링 없이 바로 데이터를 소스나 목적지로 전달한다. 이 방식은 각 바이트를 처리할 때마다 입출력을 수행하므로 효율성이 낮다.
  • NIO (Buffer, 버퍼):
    • 모든 데이터 작업은 버퍼를 통해 이루어진다. 버퍼는 데이터 블록을 임시 저장하여, 버퍼에서 데이터를 읽거나 쓰면서 네트워크나 파일 시스템과의 상호 작용한다. 데이터 처리를 한 덩어리로 묶어서 더 효율적으로 처리할 수 있게 한다.

3. 비동기 방식

  • IO (Sync, 지원 안함):
    • IO스레드가 블로킹되면 다른 일을 할 수 없고 블로킹을 빠져나오기 위해 인터럽트할 수도 없기에 대기상태이다. 유일한 방법은 스트림을 닫는 것으로 자원의 비효율적일 수 있다.
  • NIO (Async, 지원):
    • NIO는 비동기 입출력을 지원하여, 작업을 요청한 후 다른 작업으로 넘어갈 수 있다. 준비된 데이터가 있을 때만 처리를 계속하므로 리소스를 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

4. 블로킹/논블로킹 방식

  • IO (블로킹방식만 지원): 데이터를 읽고 쓰는 동안 스레드가 해당 작업에 묶여 있어야 하며, 다른 작업을 수행할 수 없다. 이로 인해 동시 처리 능력에 한계가 있다.
  • NIO (블로킹/논블로킹 둘다 지원): Java NIO의 논블록킹을 사용하면 스레드가 채널에서 데이터 읽기를 요청할 수 있으며 현재 사용 가능한 데이터만 가져오거나 현재 사용 가능한 데이터가 없는 경우 아무 것도 가져오지 않는다. 데이터를 읽을 수 있을 때까지 블로킹 상태로 유지하는 대신 스레드는 다른 작업을 계속할 수 있다. NIO 논블로킹의 핵심 객체는 멀티플렉서인 셀렉터(Selector)이다. 셀렉터는 복수 개의 채널 중에서 준비완료된 채널을 선택하는 방법을 제공한다.


5. NIO 주요 클래스와 인터페이스

Java NIO의 java.nio.file 패키지는 파일 시스템을 처리하는 데 필요한 클래스와 인터페이스를 제공한다.


  1. Path
    • 파일이나 디렉토리의 위치를 추상화한 인터페이스다. 파일 시스템 내의 경로를 표현하며, 파일을 생성, 삭제, 또는 접근하는 작업에 사용한다.
  2. Paths
    • Path 인스턴스를 생성하기 위한 유틸리티 클래스다. 주로 Paths.get(String uri) 메서드를 통해 문자열로부터 Path 객체를 얻는다.
  3. Files
    • 파일 및 디렉토리를 생성, 삭제 및 수정하는 데 사용되는 정적 메서드들을 제공하는 유틸리티 클래스다. 파일의 메타데이터를 읽거나, 파일을 복사, 이동하는 등의 작업을 수행한다.
  4. FileSystem
    • 파일 시스템의 인스턴스를 표현하는 클래스로, 파일 시스템과의 상호작용을 가능하게 한다. 예를 들어, 파일 시스템의 루트 디렉토리나 파일 저장소를 얻는 데 사용한다.
  5. FileSystems
    • 기본 파일 시스템 또는 사용자 정의 파일 시스템을 얻기 위한 유틸리티 클래스다.
  6. FileStore
    • 파일 저장소(하드웨어 디스크 파티션 등)의 뷰를 제공하며, 사용 가능한 공간이나 파일 저장소의 유형 등의 정보를 제공한다.
  7. WatchService
    • 디렉토리 (또는 파일)에 대한 변경사항을 감시하는 메커니즘을 제공한다. 예를 들어 파일 생성, 삭제 또는 수정 시 이벤트를 받을 수 있다.
  8. FileVisitor 및 SimpleFileVisitor
    • 파일 트리를 순회할 때 사용하는 인터페이스와 이를 간단히 구현한 추상 클래스다. 파일 트리의 각 파일을 방문할 때 수행할 작업을 정의한다.
  9. DirectoryStream
    • 디렉토리 내의 파일을 반복 처리하기 위한 인터페이스다. Files.newDirectoryStream(Path dir)을 사용하여 디렉토리 스트림을 생성할 수 있다.


6. 파일 속성 정보 확인

기본 파일 속성 BasicFileAttributes 인터페이스

Path file = Paths.get("example.txt");
BasicFileAttributes attrs = Files.readAttributes(file, BasicFileAttributes.class);
메서드명설명
creationTime()파일이 생성된 시간을 반환합니다. 파일의 생성 시간을 나타내는 FileTime 객체를 리턴합니다.
lastModifiedTime()파일이 마지막으로 수정된 시간을 반환합니다. 파일의 마지막 수정 시간을 나타내는 FileTime 객체를 리턴합니다.
lastAccessTime()파일이 마지막으로 접근된 시간을 반환합니다. 파일의 마지막 접근 시간을 나타내는 FileTime 객체를 리턴합니다.
size()파일의 크기를 바이트 단위로 반환합니다.
isDirectory()파일이 디렉토리인지 여부를 반환합니다. true는 디렉토리, false는 디렉토리가 아님을 나타냅니다.
isRegularFile()파일이 일반 파일인지 여부를 반환합니다. true는 일반 파일, false는 일반 파일이 아님을 나타냅니다.
isSymbolicLink()파일이 심볼릭 링크인지 여부를 반환합니다. true는 심볼릭 링크, false는 심볼릭 링크가 아님을 나타냅니다.
isOther()파일이 디렉토리, 일반 파일, 심볼릭 링크 중 어느 것도 아닐 경우 true를 반환합니다.
fileKey()파일의 시스템 고유 키를 반환합니다. 이 키는 파일 시스템 내에서 파일을 식별하는 데 사용될 수 있는 객체입니다.


POSIX 에서 파일 속성 PosixFileAttributes 인터페이스

PosixFileAttributes posixAttrs = Files.readAttributes(file, PosixFileAttributes.class);
메서드명설명
owner()파일의 소유자를 나타내는 UserPrincipal 객체를 반환합니다.
group()파일이 속한 그룹을 나타내는 GroupPrincipal 객체를 반환합니다.
permissions()파일의 권한을 나타내는 Set<PosixFilePermission> 객체를 반환합니다.

MS Windows 에서 파일 속성 DosFileAttributes 인터페이스

DosFileAttributes dosAttrs = Files.readAttributes(file, DosFileAttributes.class);
메서드명설명
isReadOnly()파일이 읽기 전용인지 여부를 반환합니다. true는 읽기 전용입니다.
isHidden()파일이 숨겨진 파일인지 여부를 반환합니다. true는 숨겨진 파일입니다.
isArchive()파일이 아카이브 파일인지 여부를 반환합니다. true는 아카이브 파일입니다.
isSystem()파일이 시스템 파일인지 여부를 반환합니다. true는 시스템 파일입니다.


5. I/O 와 NIO 비교

Java에서 I/O 와 NIO 비교하기 위해 간단한 예제코드를 보자. I/O는 File 클래스를 사용하고, NIO는 Paths와 Files 클래스 사용한다.


5-1. IO 예제 : File 클래스

// 파일 생성
File file = new File("example.txt");
try {
   if (file.createNewFile()) {
         System.out.println("파일 생성: " + file.getName());
   } else {
         System.out.println("파일이 이미 존재합니다.");
   }
} catch (IOException e) {
   System.out.println("오류가 발생했습니다.");
   e.printStackTrace();
}

// 디렉터리 생성
File dir = new File("myDirectory");
if (dir.mkdir()) {
   System.out.println("디렉터리 생성: " + dir.getName());
} else {
   System.out.println("디렉터리 생성 실패 또는 이미 존재합니다.");
}

// 여러 단계 디렉터리 생성
File dirs = new File("myDir/SubDir1/SubDir2");
if (dirs.mkdirs()) {
   System.out.println("여러 디렉터리가 성공적으로 생성되었습니다.");
} else {
   System.out.println("디렉터리 생성에 실패했습니다.");
}

// 파일 존재 확인
if (file.exists()) {
   System.out.println("파일 존재: " + file.getName());
} else {
   System.out.println("파일이 존재하지 않습니다.");
}

// 파일 삭제
if (file.delete()) {
   System.out.println("파일 삭제됨: " + file.getName());
} else {
   System.out.println("파일 삭제 실패.");
}

// 파일 복제 (복사)
File sourceFile = new File("example.txt");
File destFile = new File("copy_example.txt");
try {
   if (sourceFile.createNewFile()) { // 복사할 파일을 임시로 생성
         System.out.println("원본 파일 생성됨: " + sourceFile.getName());
         java.nio.file.Files.copy(sourceFile.toPath(), destFile.toPath());
         System.out.println("파일 복사됨: " + destFile.getName());
   } else {
         System.out.println("원본 파일이 이미 존재하여 복사하지 않음.");
   }
} catch (IOException e) {
   System.out.println("파일 복사 중 오류 발생.");
   e.printStackTrace();
}

// 파일 이동
File moveFile = new File("move_example.txt");
try {
   if (destFile.renameTo(moveFile)) {
         System.out.println("파일 이동됨: " + moveFile.getName());
   } else {
         System.out.println("파일 이동 실패.");
   }
} catch (Exception e) {
   System.out.println("파일 이동 중 오류 발생.");
   e.printStackTrace();
}


5-2. NIO 예제 : Paths와 Files 클래스

// 파일 생성
Path pathToFile = Paths.get("example.txt");
try {
   Files.createFile(pathToFile);
   System.out.println("파일 생성: " + pathToFile);
} catch (IOException e) {
   System.out.println("오류 발생 또는 파일이 이미 존재합니다.");
   e.printStackTrace();
}

// 디렉터리 생성
Path pathToDir = Paths.get("myNioDirectory");
try {
   Files.createDirectory(pathToDir);
   System.out.println("디렉터리 생성: " + pathToDir);
} catch (IOException e) {
   System.out.println("오류 발생 또는 디렉터리가 이미 존재합니다.");
   e.printStackTrace();
}

// 여러 단계 디렉터리 생성
Path pathToDirs = Paths.get("myNioDir/SubDir1/SubDir2");
try {
   Files.createDirectories(pathToDirs);
   System.out.println("디렉터리들이 생성되었습니다: " + pathToDirs);
} catch (IOException e) {
   System.out.println("디렉터리들을 생성하는 데 실패했습니다.");
   e.printStackTrace();
}

// 파일 존재 확인
if (Files.exists(pathToFile)) {
   System.out.println("파일 존재: " + pathToFile);
} else {
   System.out.println("파일이 존재하지 않습니다.");
}

// 파일 삭제
try {
   Files.deleteIfExists(pathToFile);
   System.out.println("파일이 삭제되었습니다: " + pathToFile);
} catch (IOException e) {
   System.out.println("파일 삭제에 실패했습니다.");
   e.printStackTrace();
}

// 파일 복제 (복사)
Path sourceFile = Paths.get("example.txt");
Path targetFile = Paths.get("copy_example.txt");
try {
   Files.copy(sourceFile, targetFile, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
   System.out.println("파일 복사됨: " + targetFile);
} catch (IOException e) {
   System.out.println("파일 복사에 실패했습니다.");
   e.printStackTrace();
}

// 파일 이동
Path moveTargetFile = Paths.get("moved_example.txt");
try {
   Files.move(targetFile, moveTargetFile, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
   System.out.println("파일 이동됨: " + moveTargetFile);
} catch (IOException e) {
   System.out.println("파일 이동에 실패했습니다.");
   e.printStackTrace();
}