함수형 프로그래밍(Functional Programming)

프로그래밍 패러다임(Programming Paradigm)

 

프로그래밍 패러다임(Programming Paradigm)

 

• 명령형 프로그래밍: 무엇(What)을 할 것인지 나타내기보다 어떻게(How) 할 건지를 설명하는 방식
  • 절차 지향 프로그래밍(C): 수행되어야 할 순차적인 처리 과정을 포함하는 방식
  • 객체 지향 프로그래밍(C++, Java, C#): 객체들의 집합으로 프로그램의 상호작용을 표현
•  선언형 프로그래밍: 어떻게 할 건지(How)를 나타내기보다 무엇(What)을 할 건지를 설명하는 방식
  • 함수형 프로그래밍(클로저, 하스켈, 리스프): 순수 함수를 조합하고 소프트웨어를 만드는 방식

 

객체 지향 프로그래밍의 치명적인 단점은 객체가 상태를 갖는다는 것이다.
변수가 존재하고 이 변수를 통해 객체가 예측할 수 없는 상태를 갖게 되어 애플리케이션 내부에 버그를 발생시킨다.

 

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함수형 프로그래밍(Functional Programming)

명령형 프로그래밍을 기반으로 개발했던 개발자들은 소프트웨어의 크기가 커짐에 따라, 복잡하게 엉켜있는 스파게티 코드를 유지 보수하는 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 해 준다.

 

1. 함수형 프로그래밍에 대한 이해

유명한 책인 클린 코드(Clean Code)의 저자 Robert C.Martin은 함수형 프로그래밍을 대입문이 없는 프로그래밍이라고 정의하였다.

 

Functional Programming is programming without assignment satements
- Rober C.Martin -

 

그동안 명령형 프로그래밍으로 개발을 해왔던 사람들에게 대입문이 없는 프로그래밍은 상당히 생소할 수밖에 없다. 왜냐하면 다음과 같이 간단한 코드에서도 변수가 할당되고, 값이 대입되기 때문이다.

for(int i = 1 ; i < 10; i++){
    System.out.println(i);
}

 

함수형 프로그래밍에서는 위와 같은 코드를 다음과 같이 해결할 수 있다.

• process 함수는 첫 번째 인자로 몇까지 iteration을 돌 것인가를 매개변수로 받고 있고, 두 번째 인자로 전달받은 값을 출력하라는 함수를 매개변수로 받고 있다.

process(10, print(num));

 

무엇을(What)에 포커스를 두는 프로그래밍이기 때문에 '출력을 하는 함수'를 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 때문이다.

 

2. 특징

함수형 프로그래밍의 특징을 한 줄로 요약하면 다음과 같다.

 

부수 효과가 없는 순수 함수를 1급 객체로 간주하여 파라미터나 반환 값으로 사용할 수 있으며 참조 투명성을 지킬 수 있다.

 

1) 부수 효과(Side Effect)

다음과 같은 변화 또는 변화가 발생하는 작업을 의미한다.

• 변수의 값이 변경됨
• 자료 구조를 제자리에서 수정함
• 객체의 필드 값을 설정함
• 예외나 오류가 발생하며 실행이 중단됨
• 콘솔 또는 파일 I/O가 발생함

 

2) 순수 함수(Pure Function)

부수 효과(Side Effect)들을 제거한 함수들을 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 함수를 사용하면 다음과 같은 장점들이 있다.

• 함수 자체가 독립적이며 Side Effect가 없기 때문에 스레드에 안전성을 보장받을 수 있다.
• 스레드에 안정성을 보장받아 병렬 처리를 동기화 없이 진행할 수 있다.

 

3) 1급 객체(First-Class Object)

• 변수나 데이터 구조 안에 담을 수 있다.
• 파라미터로 전달할 수 있다.
• 반환 값으로 사용할 수 있다.
• 할당에 사용된 이름과 무관하게 고유한 구별이 가능하다.

함수형 프로그래밍에서 함수는 1급 객체로 취급받기 때문에 위의 예제에서 본 것처럼 함수를 파라미터로 넘기는 등의 작업이 가능한 것이다. 또한 우리가 일반적으로 알고 개발했던 함수들은 함수형 프로그래밍에서 정의하는 순수 함수들과는 다르다는 것을 인지해야 한다.

 

4) 참조 투명성(Referential Transparency)

• 동일한 인자에 대해 항상 동일한 결과를 반환해야 한다.
• 참조 투명성을 통해 기존의 값은 변경되지 않고 유지된다.

 

명령형 프로그래밍과 함수형 프로그래밍에서 사용하는 함수는 부수효과의 유/무에 따라 차이가 있다. 그에 따라 함수가 참조에 투명한지 안 한 지 나누어지는데, 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 경쟁 상태에 대한 비용을 줄여준다. 왜냐하면 함수형 프로그래밍에서는 값의 대입이 없이 항상 동일한 실행에 대해 동일한 결과를 반환하기 때문이다.

 

3. Java를 이용한 예시

• 단어의 크기가 2 이상인 경우를 필터링한다.
• 모든 단어를 대문자로 변환한다.
• 모든 단어를 앞글자만 잘라내어 변환한다.
• 모든 단어를 스페이스로 구분한 하나의 문자열로 합친다.

public class WordProcessTest {

    private final List<String> words = Arrays.asList("TONY", "a", "hULK", "B", "america", "X", "nebula", "Korea");

    @Test
    void wordProcessTest() {
        String result = words.stream()
                .filter(w -> w.length() > 1)
                .map(String::toUpperCase)
                .map(w -> w.substring(0, 1))
                .collect(Collectors.joining(" "));

        assertThat(result).isEqualTo("T H A N K");
    }
}

 

기존의 for 문을 사용하면 지역 변수가 필요했을 것이지만 함수형 기반의 Stream API에서는 필요가 없다. 이를 통해 상태를 바꾸는 지역 변수 자체를 없앰으로써 부수 효과를 제거하여 의도하지 않은 문제를 해결할 수 있다. 우리가 주목해야 하는 부분은 위의 wordProcess 메서드 내부에서 filter나 map, collect 등과 같은 함수의 파라미터로 함수가 전달된다는 점이다.

 

 

https://mangkyu.tistory.com/111

[프로그래밍] 함수형 프로그래밍(Functional Programming) 이란?