[프로그래밍] 함수형 프로그래밍

출처

https://brunch.co.kr/@wegra/20

[개발 상식] 3대 프로그래밍 패러다임의 등장과 부흥

 

https://www.spri.kr/download/22433

https://www.hanbit.co.kr/channel/category/category_view.html?cms_code=CMS4313717600

함수형 프로그래밍(functional programming)이란?

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%A8%EC%88%98%ED%98%95_%ED%94%84%EB%A1%9C%EA%B7%B8%EB%9E%98%EB%B0%8D

함수형 프로그래밍 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://hyojabal.tistory.com/41

함수형 프로그래밍 기초 개념

https://com789.tistory.com/39

함수형 프로그래밍이란?

Kotlin In Action

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함수형 프로그래밍

프로그래밍을 수학으로 간주하는 것. 데이터 처리를 수학적 함수의 계산으로 취급해 함수들의 집합으로 프로그램을 작성한다.

상태 변화와 가변 데이터를 지양한다. 상태를 바꾸는 것이 아니라 함수의 응용을 강조한다.

 

프로그래밍을 수학으로 간주한다는 것의 의미

1. 불변성 immutability 

i = i+1 # or, more simply  
i += 1  # or, even more simply   
i++     # C, Java, but not Python or Ruby

 

수학적으로 위의 표현들은 말이 되지 않는다. 등식은 두 개의 값에 대한 관계에 "참"을 내포하고 있는 의미를 나타낸다. i는 오직 i와 같을 수 있다. "i는 어떠한 것과 같다"고 정의를 내라면, i는 다른 어떠한 것과도 같을 수 없다. i의 값이 바뀌는 것이 아니라 모르는 불변의 값인 것이다.

이렇게, 함수형 프로그래밍에서 변수나 데이터는 한 번 할당되면 변경되지 않는다. 즉, 상태 변화가 없다는 것을 보장한다. 모든 데이터는 불변이며, 변경이 필요하면 기존 데이터를 수정하는 것이 아니라 새로운 데이터를 생성하는 방식으로 처리한다.

 

2. 고차 함수 Higher-Order Function

함수형 프로그래밍에서는 함수가 1급 시민(First-class Citizen)으로 취급되어, 함수가 변수처럼 취급되고, 함수의 매개변수나 반환값으로 사용할 수 있다. 

 

3. 순수 함수 Pure Function

같은 입력값에 대해 항상 같은 결과를 반환한다. 부작용이라는 것이 없다. 

 

함수형 프로그래밍은 왜 주목받는가

기존의 대세 프로그래밍 패러다임의 한계를 보안하는 패러다임으로 주목받게 되었다.

 

명령형 프로그래밍(좁게는 객체지향 프로그래밍) -> 함수형 프로그래밍으로

 

기존 프로그래밍 패러다임에서 발생한 주요 문제

1. 예측 가능성 부족

기존 프로그래밍 패러다임인 객체지향 프로그래밍은 변수의 값, 객체의 상태 등의 프로그램의 상태가 계속 변화하고, 이러한 상태를 수정하는 것이 주요 논리의 흐름이다. 상태가 변화가 많아질 수록 코드의 예측 가능성이 떨어지고, 함수가 함수 바깥의 변수 상태를 변경할 경우에는 상태 추척이 어렵다. 

2. 동시성 문제

여러 스레드나 프로세스가 동시에 동일한 자원에 접근할 때, 공유된 상태가 충돌하는 문제가 발생해 스레드 안전성을 보장하기 위한 복잡한 코드(락, 뮤텍스, 세마포어 등)이 필요하다.

3. 복잡성 증가

상태와 함수가 상호작용이 복잡하게 얽혀서 프로그램의 복잡도가 증가한다. 객체지향 프로그래밍에서는 객체 간 상호작용을 위해 함수가 다른 객체의 함수를 호출하며 외부 세계에 의존적으로 동작하기에 재사용성이 떨어지며 프로그램의 복잡도가 증가한다. 이는 코드 이해가 어려워지고 버그 발생 가능성이 높어지며 코드의 유지보수가 힘들어지는 주요 이유가 된다. 

 

함수형 프로그래밍은 이 문제들을 어떻게 해결하는가

1. 불변성

함수형 프로그래밍에서 변수나 데이터는 한 번 할당되면 변경되지 않는다. 모든 데이터는 불변이며, 변경이 필요하면 기존 데이터를 수정하는 것이 아니라 새로운 데이터를 생성하는 방식으로 처리한다.

-> 동시성 문제에서 안정성이 크게 향상된다. 여러 스레드가 동시에 같은 데이터를 읽더라도 상태 변화가 없어서 충돌할 일이 없다. 다중 스레드를 사용해도 안전하다.

 

2. 순수 함수 Pure Function

함수형 프로그래밍에서 함수는 입력에만 의존하고, 부작용 없이 출력만을 반환한다. 즉, 같은 입력값에 대하해 항상 같은 결과를 반환하며, 외부 상태나 변수에 영향을 주지 않는다.

-> 예측 가능성을 높여 준다. 버그 추적 및 디버깅이 쉬워진다.

-> 테스트 하기 쉽다. 부수 효과가 있느 함수는 그 함수를 실행할 대 필요한 전체 환경을 구성하는 준비 코드(setup code)가 따로 필요하지만, 순수 함수는 그런 준비 코드 없이 독립적으로 테스트할 수 있다.

 

3. 고차 함수 Higher-Order Function

함수가 변수처럼 취급되어 함수의 매개변수나 반환 값으로 사용되어, 함수의 재사용성이 높아진다. 코드의 추상화 수준도 높아진다. 코드가 한결 간결하다. 

-> 강력한 추상화로 코드 중복을 막을 수 있다.

예를 들어, 비슷한 작업에서 아주 비슷한 두 개의 코드 조각이 있다면, 공통부분은 따로 함수로 뽑아내고, 서로 다른 세부 사항을 람다식으로 불리는 무명 함수 구문을 사용해 인자로 전달하면 코드를 간결하게 표현할 수 있다.

fun findAlice() = findPerson { it.name == "Alice" }
fun findBob() = findPerson { it.name == "Bob" }

 

• findPerson에는 사람을 찾는 일반 로직이 들어가 있다.
• {} 중괄호 사이에 있는 코드 블록은 찾으려는 사람을 식별한다.

🤔 람다식이란

익명 함수를 간결하게 표현하는 방법. 함수 정의를 이름없이 간단하게 작성할 수 있다.

🤔 무명 함수(익명 함수)란

이름이 없는 함수. 일시적으로 사용하기 위해 정의된 간단한 함수

함수형 프로그래밍의 단점

단순함을 강요받는다.

객체지향에서의 상태는 부작용(함수 바깥에서 상태 변화를 만들어냄)을 만들지만, 외부에 인한 객체의 변화를 코드로 표현하는 것에는 직관적이다. 함수형 프로그래밍은 입출력의 일관성을 위해서 상태를 허용하지 않기 때문에 같은 기능의구현을 위해 객체지향 프로그래밍에서 고려할 필요없는 다양한 함수의 조합을 고안해야 한다.

학습 곡선

개발자가 함수평 프로그래밍의 기본 아키텍처와 동작을 이해하고 더 기능적인 프로그래밍으로 생각을 전환하는 데 가파른 학습 곡선이 있다.