함수형 프로그래밍

프로그래밍 패러다임

함수형 프로그래밍에 대해서 알아보기 전 프로그래밍 패러다임을 간단히 알아보려고 한다.

프로그래밍 패러다임(Programming Paradigm)에서의 프로그래밍과 패러다임의 의미를 각각 살펴보자.

프로그래밍 : 컴퓨터 프로그램을 작성하는 일

패러다임 : 한 시대의 사람들의 견해나 사고를 근본적으로 규정하고 있는 인식의 체계

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이러한 의미로 바라보았을 때, 프로그래밍 패러다임은 프로그래머가 컴퓨터 프로그램을 작성하는 데 있어 바라보는 관점 정도로 해석할 수 있을 것 같다.

즉, 프로그래머에게 프로그래밍의 관점을 갖게 하고 코드를 어떻게 작성할 지 결정하는 역할을 한다.

그렇다면, 현대에 주를 이루던 프로그래밍 패러다임에 대해서 몇 가지 살펴보자.

• 명령형 프로그래밍 : 어떻게(HOW) 할 것인가? (프로그래밍의 상태, 상태를 변경시키는 구문의 관점에서 연산을 설명하는 방식)
  • 절차지향 프로그래밍 : 수행되어야 할 순차적인 처리 과정을 포함하는 방식 (e.g. C, C++)
  • 객체지향 프로그래밍 : 객체들의 집합으로 프로그램의 상호작용을 표현 (e.g. C++, JAVA)
• 선언형 프로그래밍 : 무엇(WHAT)을 할 것인가? (어떤 방법으로 해야하는지를 나타내기보다, 무엇과 같은지를 설명하는 방식)
  • 함수형 프로그래밍 : 순수 함수를 조합하고 소프트웨어를 만드는 방식

최근 많은 언어들이 객체 지향 프로그래밍을 넘어 함수형 프로그래밍을 도입하고 있으며 관심 또한 나날이 높아지는 모습을 보여주고있다.

절차지향 프로그래밍과 객체지향 프로그래밍은 C, C++, JAVA를 통해 많이 접해봤지만, 함수형 프로그래밍은 조금 생소한듯싶다.

하지만, 함수형 프로그래밍은 우리가 JAVA를 사용할 때 이미 많이 접하고 있는 부분 중 하나이다.

바로 다음과 같이 Stream API를 사용할 때이다.

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
list.stream().forEach(System.out::println);

처음에 볼때는 이게 왜 함수형 프로그래밍이지? 라는 의무닝 들수도 있고 함수형 프로그래밍이 뭔지 잘 이해가 가지 않는다.

우리가 함수형 프로그래밍이라고 할 수 있는, 함수형 프로그래밍이 가지고 있는 특징에 대해서 자세히 살펴보자.

함수형 프로그래밍

함수형 프로그래밍에 대한 자세한 이해를 위해 함수형 프로그래밍의 특징에 대해서 살펴보자.

순수 함수(Pure Funtion)

순수 함수란 동일 입력 시 동일 출력을 보장하며, 부수 효과가 없다는 것을 의미한다.

여기서 말하는 부수 효과(Side-Effect)는 변수의 값을 변경하고 객체의 필드값을 설정하는 등 변화를 의미한다.

간단한 예를 살펴보자.

public class FunctionalProgramming {
    static int num = 5;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(add(1)); // 6
        num = 10;
        System.out.println(add(1)); // 11
    }
    static int add(int a) {
        return a + num;
    }
}

• 함수 add는 num에 의존적이다. (외부에 영향을 받는다.)
• num이 변경됨에 따라, 동일한 입력에 따라 동일 출력을 보장하지 않는다. 그에 따라 순수함수라고 바라볼 수 없다.

다음은 순수함수의 예이다.

public class FunctionalProgramming {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(add(1, 3));
        System.out.println(add(1, 3));
    }
    public static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

• 함수 add는 어느 것에도 의존적이지 않다. (외부에 영향을 받지 않는다.)
• 동일한 입력에 따라 동일 출력을 보장한다.

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함수형 프로그래밍은 다음과 같이 동일 입력에 대해 동일 출력을 보장하는 순수 함수를 사용하여야 한다.

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불변성(Immutable)

불변성은 말 그대로 변하지 않는 것을 의미한다.

여기서 말하는 불변성은 외부의 상태나 함수에 인자로 전달된 데이터의 상태를 변경하면 안된다는 것이다.

간단한 예를 살펴보자.

public class FunctionalProgramming {
    public static void main(String[] args) {
        Item item = new Item(2000);
        increasePrice(item);
    }
    static Item increasePrice(Item item) {
        item.price += 1000;
        return item;
    }

    static class Item {
        int price;

        public Item(int price) {
            this.price = price;
        }
    }
}

• Item이라는 객체의 Price를 변경하는데 있어서, 전달받은 객체의 price를 직접 접근해 변경해주었다.
• 이는 전달받은 데이터를 변경했으므로 불변성을 지키지 못했다.

다음은 불변성을 지킨 예를 살펴보자.

public class FunctionalProgramming {
    public static void main(String[] args) {
        Item item = new Item(2000);
        increasePrice(item);
    }
    static Item increasePrice(Item item) {
        return new Item(item.price+1000);
    }

    static class Item {
        int price;

        public Item(int price) {
            this.price = price;
        }
    }
}

• 전달된 데이터를 직접 변경하는 것이 아니라 새로운 객체를 만들어 반환한다.
• 이는 전달된 데이터를 변경하지 않아 불변성을 지켰다.
• 이는 부수 효과를 발생시키지 않는다면 점에서 순수 함수와 연관성이 있다고 볼 수 있으며 이를 통해 동시다발적인 멀티쓰레드 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있다.

함수형 프로그래밍은 외부의 상태나 함수에 인자로 전달된 데이터의 상태를 변경하면 안된다.

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1급 객체(First Object), 고차 함수(High-Order Function)

1급 객체란, 보통 자바스크립트를 배울 때 많이 나오는 개념이며 함수형 프로그래밍의 중요 전제 조건 중 하나이다.

• 변수나 데이터 구조안에 넣을 수 있다.
• 파라미터로 전달할 수 있다.
• 반환값으로 사용할 수 있다.
• 할당에 사용된 이름과 무관하게 고유한 구별이 가능하다.

그렇다면, 고차 함수란 무엇일까?

고차 함수란, 다음 2가지 조건을 만족하는 함수이다.

• 함수를 파라미터로 받는 함수
• 함수를 리턴하는 함수

함수형 프로그래밍에서는 함수가 1급 객체, 1급 함수로 취급받는다.

그렇다. 고차 함수는 1급 객체의 부분 집합(Subset)이다.

함수형 프로그래밍에서는 함수를 파라미터로 받고 함수를 리턴할 수 있는 형태를 이룸으로써 함수간의 파이프라인이 형성될 수 있도록 한다.

list.stream()
        .filter(...)
        .map(...)
        .collect(...);

• 함수형 프로그래밍에서는 filter, map, collect와 같은 파이프라인이 형성될 수 있도록 함수를 파라미터로 받고 함수를 리턴하는 1급 함수를 요구하는 것을 확인할 수 있다.

• 여기서 볼 수 있듯이, for과 switch 같은 expression을 사용하지 않고 filter, map 같은 함수를 매개변수로 받는 메서드를 이용해야한다.

함수형 프로그래밍의 함수는 1급 객체, 고차함수를 만족해야한다.

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이처럼, 우리는 불변성을 지키고 순수 함수를 1급 객체로 하여 프로그래밍하는 패러다임을 함수형 프로그래밍이라고 한다.

함수형 프로그래밍은 코드의 가독성을 높이고 유지보수를 용이하게 해주는 등 다양한 장점이 존재하여 자바에서도 JDK 1.8부터 람다식을 도입함으로써 함수형 언어의 길로 들어섰다.

나는 자바의 더 깊은 이해를 위해서는 함수형 프로그래밍에 대한 이해도 필수라는 생각을 하며 이를 살펴보았다.