[Java 입출력] NIO(New IO)의 특징과 장점

Java NIO는 JDK 4부터 도입된 새로운 입출력 API로, 기존 IO의 한계를 개선하고 더 효율적인 입출력 처리를 제공합니다.



IO와 NIO의 주요 차이점

java.io는 다음과 같은 문제

  • Blocking I/O
    • 데이터 read/write 시 스레드가 BLOCKED 상태가 되어 다른 작업을 수행할 수 없습니다.
  • 스트림 기반
    • 스트림 기반이기 때문에 데이터 read/write 시 데이터를 순차적으로 처리합니다.
  • 양방향 통신 불가능
    • 양방향 통신이 불가능하기 때문에, 각각 read와 write에 해당하는 스트림을 정의해야 합니다.


java.nio는 다음과 같이 해결 -> new input/output

  • Blocking I/O
    • 셀렉터(Selector)와 채널(Channel)을 활용해 스레드가 BLOCKED 상태가 되지 않고 여러 I/O 작업을 동시에 처리할 수 있는 Non-Blocking 기능을 지원합니다.
  • 스트림 기반
    • 버퍼(Buffer)를 통해 데이터를 관리해, 스트림보다 빠르게 데이터를 처리할 수 있습니다.
    • 스트림 기반에서 버퍼 기반으로 변경하면서, 순차적으로 처리하던 데이터를 병렬적으로 처리할 수 있게 됩니다.
  • 양방향 통신 가능
    • 하나의 버퍼를 통해 read/write 모두 가능합니다.

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NIO의 핵심과 예제

참고 문서 이 분의 글을 보자!

java.nio는 멀티플렉싱 기반의 I/O 방식을 사용하며, 이는 하나의 스레드가 여러 소켓의 상태를 감시하고, 필요한 작업만 처리하도록 설계된 방식

  • Selector (셀렉터)
    • 하나의 스레드가 여러 채널의 상태를 감시할 수 있게 해주는 도구
    • 이벤트 기반 프로그래밍을 가능하게 함
  • SelectionKey (셀렉션 키)
    • 셀렉터와 채널 간의 관계를 나타냄
    • 채널이 셀렉터에 등록되면 SelectionKey가 생성되고, 이를 통해 채널의 상태를 확인
  • Channel (채널)
    • 입출력을 처리하는 객체. 다양한 유형의 채널(ServerSocketChannel, SocketChannel 등)이 제공
  • Buffer (버퍼)
    • 데이터를 임시로 저장하는 메모리 공간
    • 데이터를 읽고 쓰기 위해 버퍼를 초기화하거나 모드를 변경해야 함



Echo Server 코드

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector selector = Selector.open(); // Selector 열기
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080)); // 서버 소켓 채널 바인딩
        serverSocketChannel.configureBlocking(false); // Non-blocking 모드 설정
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // OP_ACCEPT 이벤트 등록

        System.out.println("서버가 시작되었습니다. 포트: 8080");

        while (true) {
            selector.select(); // 이벤트가 발생할 때까지 대기
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                keyIterator.remove();

                if (key.isAcceptable()) {
                    registerClient(selector, serverSocketChannel);
                } else if (key.isReadable()) {
                    handleClientMessage(key);
                }
            }
        }
    }

    private static void registerClient(Selector selector, ServerSocketChannel serverSocketChannel) throws IOException {
        SocketChannel client = serverSocketChannel.accept(); // 클라이언트 연결 수락
        client.configureBlocking(false);
        client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // OP_READ 이벤트 등록
        System.out.println("클라이언트 연결: " + client.getRemoteAddress());
    }

    private static void handleClientMessage(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);

        int bytesRead = client.read(buffer);
        if (bytesRead == -1) {
            client.close();
            System.out.println("클라이언트 연결 종료");
            return;
        }

        buffer.flip();
        String message = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()).trim();
        System.out.println("클라이언트 메시지: " + message);

        if ("EXIT".equalsIgnoreCase(message)) {
            client.close();
            System.out.println("클라이언트 연결 종료");
        } else {
            buffer.flip();
            client.write(buffer); // 메시지 에코
            buffer.clear();
        }
    }
}



Echo Client 코드

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Scanner;

public class EchoClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        System.out.println("서버에 연결되었습니다.");

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);

        while (true) {
            System.out.print("서버에 보낼 메시지를 입력하세요 (EXIT 입력 시 종료): ");
            String message = scanner.nextLine();

            buffer.put(message.getBytes());
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer); // 서버로 메시지 전송
            buffer.clear();

            if ("EXIT".equalsIgnoreCase(message)) {
                System.out.println("서버와의 연결을 종료합니다.");
                socketChannel.close();
                break;
            }

            socketChannel.read(buffer); // 서버로부터 응답 수신
            buffer.flip();
            String response = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()).trim();
            System.out.println("서버 응답: " + response);
            buffer.clear();
        }
    }
}



주요 실행 흐름

  1. 서버 소켓 채널 생성 및 설정
    • ServerSocketChannel을 열고, 특정 포트(예: 8080)로 바인딩
    • Non-Blocking 모드로 설정하고, Selector에 OP_ACCEPT 이벤트 타입으로 등록
  2. 클라이언트 연결 요청 수락
    • 클라이언트가 서버로 연결 요청을 보내면, 서버는 이를 감지하여 연결을 수락
    • 클라이언트와 연결된 SocketChannel을 Selector에 등록
  3. 데이터 처리
    • 서버는 무한 루프에서 Selector를 사용하여 준비된 채널을 확인
    • 클라이언트가 데이터를 보내면, 해당 데이터를 읽고 처리한 후 클라이언트로 다시 전송


Echo 서버 동작 요약

  1. 클라이언트가 서버에 연결을 요청
  2. 서버는 연결을 수락하고, 클라이언트의 데이터를 읽음
  3. 서버는 받은 데이터를 클라이언트에게 그대로 돌려줌
  4. 클라이언트가 “EXIT” 메시지를 보내면 연결을 종료


NIO는 대규모 네트워크 애플리케이션에서 특히 효과적이며, 높은 확장성과 성능을 제공합니다.

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