[Programming] 함수형 프로그래밍(Functional Programming)
함수형 프로그래밍(Functional Programming)에 대한 이해
프로그래밍 패러다임(Programming Paradigm)
프로그래밍 패러다임(Programming Paradigm)은 프로그래머에게 프로그래밍 관점을 갖게 해주고, 결정하는 역할을 한다. 새로운 프로그래밍 패러다임을 통해서는 새로운 방식으로 생각하는 법을 배우고, 이를 바탕으로 코드를 작성하게 된다.
최근의 프로그래밍 패러다임은 크게 아래와 같이 구분할 수 있다.
- 명령형 프로그래밍: 무엇(What)을 할 것인지 나타내기보다 어떻게(How) 할 건지를 설명하는 방식
- 절차지향(Procedural) 프로그래밍: 수행되어야 할 순차적인 처리 과정을 포함하는 방식 (C, C++)
- 객체지향(Object Oriented) 프로그래밍: 객체들의 집합으로 프로그램의 상호작용을 표현 (C++, Java, C#)
- 선언형 프로그래밍: 어떻게 할 건지(How)를 나타내기보다 무엇(What)을 할 건지를 설명하는 방식
- 함수형 프로그래밍: 순수 함수를 조합하고 소프트웨어를 만드는 방식 (클로저, 하스켈, 리스프)
함수형 프로그래밍(Functional Programming)의 등장
명령형 프로그래밍을 기반으로 개발했던 개발자들은 개발하는 소프트웨어의 크기가 커짐에 따라, 복잡하게 엉켜있는 스파게티 코드를 유지보수하는 것이 매우 힘들다는 것을 깨닫게 되었다. 그리고 이를 해결하기 위해 함수형 프로그래밍이라는 프로그래밍 패러다임에 관심을 갖게 되었다. 함수형 프로그래밍은 거의 모든 것을 순수 함수로 나누어 문제를 해결하는 기법으로, 작은 문제를 해결하기 위한 함수를 작성하여 가독성을 높이고 유지보수를 용이하게 해준다.
유명한 책인 클린코드(Clean Code)의 저자 Robert C.Martin은 함수형 프로그래밍을 대입문이 없는 프로그래밍이라고 정의했다.
Functional Programming is programming without assignment statements
- Robert C.Martin
그동안 명령형 프로그래밍으로 개발을 해왔던 사람들에게 대입문이 없는 프로그래밍은 상당히 생소할 수 밖에 없다. 왜냐하면 다음과 같은 코드에서도 변수가 할당되고 값이 대입되기 떄문이다.
// 1~10까지의 값이 i에 할당된다
for(int i = 0; i < 10 i++) {
System.out.println(i);
}
함수형 프로그래밍(Functional Programming)에 대한 이해
앞서 설명했듯이 함수형 프로그래밍은 대입문을 사용하지 않는 프로그래밍이며, 작은 문제를 해결하기 위한 함수를 작성한다고 설명했다. 그렇기 때문에 함수형 프로그래밍에서는 위와 같은 코드를 다음과 같이 해결할 수 있다.
process(10, print(num));
(위의 코드는 실제 동작 여부와 무관하게 함수형 프로그래밍에 대한 이해를 돕기 위해 작성된 수도 코드이다.)
process 함수는 첫 번째 인자로 몇까지 iteration을 돌 것인가를 매개변수로 받고 있고, 두 번째 인자로 전달받은 값을 출력하라는 함수를 매개변수로 받고 있다. 앞서 설명했듯이 함수형 프로그래밍은 무엇을(What)에 포커스를 두는 프로그래밍이라고 했다. 그렇기 때문에 함수형 프로그래밍에서는 ‘출력을’하는 함수를 파라미터로 넘길 수 있으며, 이는 함수형 프로그래밍의 기본 원리 중 함수를 1급 시민(First-Class Citizen) 또는 1급 객체(First-Class Object)로 관리하는 특징 때문인데, 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하도록 하겠다.
명령형 프로그래밍에서는 메소드를 호출하면 상황에 따라 내부의 값이 바뀔 수 있다. 즉, 우리가 개발한 함수 내에서 선언된 변수의 메모리에 할당된 값이 바뀌는 등의 변화가 발생할 수 있다. 하지만 함수형 프로그래밍에서는 대입문이 없기 때문에 메모리에 한 번 할당된 값은 새로운 값으로 변할 수 없다.
함수형 프로그래밍(Functional Programming)의 특징
함수형 프로그래밍의 특징을 한줄로 요약하면 다음과 같다.
부수 효과 없는 순수 함수를 1급 객체로 간주하여 파라미터로 넘기거나 반환값으로 사용할 수 있으며, 참조 투명성을 지킬 수 있다.
여기서 부수 효과(Side Effect)란 다음과 같은 변화 또는 변화가 발생하는 작업을 의미한다.
- 변수의 값이 변경됨
- 자료 구조를 제자리에서 수정함
- 객체의 필드값을 설정함
- 예외나 오류가 발생하며 실행이 중단됨
- 콘솔 또는 파일 I/O가 발생함
그리고 이러한 부수 효과(Side Effect)들을 제거한 함수들은 순수 함수(Pure Function)이라고 부르며, 함수형 프로그래밍에서 사용하는 함수는 이러한 순수 함수들이다.
- Memory or I/O의 관점에서 Side Effect가 없는 함수
- 함수의 실행이 외부에 영향을 끼치지 않는 함수
순수 함수(Pure Function)을 이용하면 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.
- 함수 자체가 독립적이며 Side-Effect가 없기 때문에 Thread에 안정성을 보장받을 수 있다.
- Thread에 안정성을 보장받아 병렬 처리를 동기화 없이 진행할 수 있다.
그리고 1급 객체란 다음과 같은 것들이 가능한 객체를 의미한다.
- 변수나 데이터 구조 안에 담을 수 있다.
- 파라미터로 전달할 수 있다.
- 반환값으로 사용할 수 있다.
- 할당에 사용된 이름과 무관하게 고유한 구별이 가능하다.
함수형 프로그래밍에서 함수는 1급 객체로 취급받기 때문에 위의 예제에서 본 것 처럼 함수를 파라미터로 넘기는 등의 작업이 가능한 것이다. 또한 우리가 일반적으로 알고 개발했던 함수들은 함수형 프로그래밍에서 정의하는 순수 함수들과는 다르다는 것을 인지해야 한다.
마지막으로 참조 투명성(Referential Transparency)이란 다음과 같다.
- 동일한 인자에 대해 항상 동일한 결과를 반환해야 한다.
- 참조 투명성을 통해 기존의 값은 변경되지 않고 유지된다.(Immutable Data)
명령형 프로그래밍과 함수형 프로그래밍에서 사용하는 함수는 부수효과의 유/무에 따라 차이가 있다. 그에 따라 함수가 참조에 투명한지 안한지 나뉘어 지는데, 참조에 투명하다는 것은 말 그대로 함수를 실행하여도 어떠한 상태의 변화 없이 항상 동일한 결과를 반환하여 항상 동일하게(투명하게) 실행 결과를 참조(예측)할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 어떤 함수 f에 어떠한 인자 x를 넣고 f를 실행하게 되면, f는 입력된 인자에만 의존하므로 항상 f(x)라는 동일한 결과를 얻는다는 것을 의미한다. 부작용을 제거하여 프로그램의 동작을 이해하고 예측을 용이하게 하는 것은 함수형 프로그래밍으로 개발하려는 핵심 동기 중 하나이다. 그리고 이러한 부분인 병렬 처리 환경에서 개발할 때 Race Condition에 대한 비용을 줄여준다. 왜냐하면 함수형 프로그래밍에서는 값의 대입이 없이 항상 동일한 실행에 대해 동일한 결과를 반환하기 때문이다.
Java를 이용한 함수형 프로그래밍(Functional Programming) 예시
이번에는 Java를 이용해 어떤 List에 저장된 단어들의 접두사가 각각 몇개씩 있는지를 Map으로 저장하는 코드를 작성해보도록 하자. 처음에는 함수형 프로그래밍을 사용하지 않은 코드를 보여주고, 그 다음 함수형 프로그래밍으로 작성한 코드를 보여주도록 하겠다.
함수형을 적용하지 않은 코드
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
public class WordCount {
private static List<String> WORDS = Arrays.asList("TONY","a","HULK","B","america","X","nebula","Korea");
private static Map<String, Integer> wordPrefixFreq() {
Map<String, Integer> wordCountMap = new HashMap<>();
String prefix;
Integer count;
for (String word : WORDS) {
prefix = word.substring(0, 1);
count = wordCountMap.get(prefix);
if (count == null) {
wordCountMap.put(prefix, 1);
} else {
wordCountMap.put(prefix, count+1);
}
}
return wordCountMap;
}
public static void main(String[] args) {
final Map<String, Integer> map = wordPrefixFreq();
map.keySet().forEach(k -> System.out.println(k + ": " + map.get(k)));
}
}
함수형 프로그래밍을 적용하지 않은 코드에서 List를 루프로 돌면서 접두사를 잘라내고 그 갯수를 Map에 저장하고 있다. 위의 코드는 최선일 것 같아 보이지만 함수형 프로그래밍 기법을 적용하면 더욱 간결하고 가독성있게 코드를 변경할 수 있다.
함수형을 적용한 코드
Java는 대표적인 객체지향 프로그래밍 언어이다. 그렇기 때문에 함수형으로 개발을 하기 위해서는 별도의 도구가 필요한데, Java 같은 경우에는 함수형 프로그래밍을 위해 JDK8부터 Stream API와 함수형 인터페이스(Functional Interface) 등을 제공하고 있다. 그렇게 때문에 Java 8 이상의 버전을 사용해야 아래와 같은 코드 리팩토링이 가능하다.
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
public class WordCount {
private static List<String> WORDS = Arrays.asList("TONY","a","HULK","B","america","X","nebula","Korea");
private static Map<String, Integer> wordPrefixFreq() {
Map<String, Integer> wordCountMap = new HashMap<>();
WORDS.stream().map(w -> w.substring(0, 1).forEach(prefix -> wordCountMap.merge(prefix, 1, (oldValue, new ValuE) -> (newValue += oldValue)));
return wordCountMap;
}
public static void main(String[] args) {
final Map<String, Integer> map = wordPrefixFreq();
map.keySet().forEach(k -> System.out.println(k + ": " + map.get(k)));
}
}
위의 코드를 간단히만 설명하자면 우선 stream() 을 통해 함수형 프로그래밍을 위한 Stream 객체를 생성하고 있고, map()을 통해 Stream 객체의 단어들을 prefix로 변형시키고 있다. 그리고 forEach를 통해서 prefix를 보고 map에 추가하고 있다. (처음 Stream API를 접하면 오히려 복잡하게 느낄 수 있다. 하지만 우리가 처음 객체지향 프로그래밍을 접했을 때 처럼 함수형 프로그래밍도 새로운 프로그래밍 패러다임인 만큼 학습과 적응이 필요하다.)
이제 만약 기존의 문제에 다음과 같은 추가 요구 사항이 생겼다고 가정하여 보자.
- 단어의 크기가 2 이상인 경우에만 처리를 할 것
- 모든 단어를 대문자로 변환하여 처리를 할 것
- 스페이스로 구분한 하나의 문자열로 변환 할 것
이러한 요구 사항을 기존의 함수형 적용 이전의 코드에 반영한다고 하면 코드가 상당히 길어지고, 복잡해질 것이다. 하지만 함수형 프로그래밍을 적용한다면 해당 요구사항을 역시 비교적 간단하게 처리할 수 있다.
import java.io.IOException;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.stream.Collectors;
public class Main {
private static List<String> WORDS = Arrays.asList("TONY", "a", "hULK", "B", "america", "X", "nebula", "Korea");
public static String wordPrefixFreq() {
return WORDS.stream().filter(w -> w.length() > 1).map(String::toUpperCase).map(w -> w.substring(0, 1)).collect(Collectors.joining(" "));
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
final String result = wordPrefixFreq; System.out.println(result); }
}
Java는 개체지향의 언어이기 때문에 Java에서 함수형 프로그래밍을 하기 위해서는 관련 자바의 API를 알아야 한다.
참고 자료
- https://nesoy.github.io/articles/2018-05/Functional-Programming
- https://mangkyu.tistory.com/111?category=761303
- https://futurecreator.github.io/2018/10/05/why-functional-programming/
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