💾 [CS] 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)이란 무엇일까요?

• 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)은 함수를 기본 구성 요소로 사용하는 프로그래밍 패러다임입니다.
• 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)에서는 순수 함수와 데이터의 불변성을 강조하며, 부작용(Side Effect)을 피하는 것을 목표로 합니다.
• 이를 통해 코드의 가독성, 유지보수성, 재사용성을 높이고, 병렬 처리와 같은 상황에서도 안정적이고 예측 가능한 코드를 작성할 수 있습니다.

1️⃣ 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)의 핵심 개념.

1️⃣ 순수 함수(Pure Function)

• 순수 함수(Pure Function)는 입력값이 같으면 항상 같은 결과를 반환하는 함수입니다.
  • 함수의 출력이 외부 상태에 의존하지 않고, 함수 내부에서 외부 상태를 변경하지도 않습니다.
• 순수 함수(Pure Function)는 부작용(Side Effect)이 없기 때문에, 테스트하기 쉽고, 함수의 동작을 예측할 수 있습니다.

👉 예시.

// 순수 함수 예시
public int add(int a, int b) {
    return a + b; // 입력값이 같으면 항상 같은 결과를 반환
}

2️⃣ 불변성(Immutability)

• 함수형 프로그래밍에서는 데이터의 불변성을 중요하게 생각합니다.
  • 즉, 데이터가 생성된 후에는 변경되지 않아야 하며, 필요하면 새로운 데이터를 생성합니다.
• 불변성은 코드의 안정성을 높이고, 동시성 문제를 피할 수 있게 해줍니다.

👉 예시.

// Java에서의 불변 객체
final String name = "Kobe"; // name은 변경할 수 없는 값

📝 동시성 문제(Concurrency Issue)

여러 작업이 동시에 실행될 때 발생할 수 있는 오류나 비정상적인 동작을 말합니다.
프로그램에서 여러 스레드나 프로세스가 동시에 동일한 데이터나 자원에 접근하고 수정하려고 할 때 동시성 문제(Concurrency Issue)가 발생할 수 있습니다.
특히 데이터의 일관성과 안정성을 유지하는 것이 어려워지며, 이는 프로그램의 버그, 충돌, 예측하지 못한 동작을 초래할 수 있습니다.

📝 스레드(Thread)

프로세스 내에서 실행되는 가장 작은 단위의 작업 흐름을 의미합니다.
프로세스가 메모리, 파일 핸들, 네트워크 연결과 같은 리소스를 포함하는 독립적인 실행 단위라면, 스레드(Thread)는 프로세스 내부에서 실제로 코드가 실행되는 실행 흐름입니다.
하나의 프로세스는 여러 개의 스레드(Thread)를 포함할 수 있으며, 각 스레드(Thread)는 독립적으로 실행될 수 있습니다.

📝 프로세스(Process)

컴퓨터에서 실행 중인 프로그램의 인스턴스를 말합니다.
간단히 말해, 프로그램이 메모리에서 실행될 때 프로세스(Process)가 됩니다.
컴퓨터에서 실행되는 모든 응용 프로그램(예: 웹 브라우저, 텍스트 편집기, 백그라운드 서비스 등)은 각각 하나의 프로세스(Process)입니다.

3️⃣ 고차 함수(Higher-Order Function)

• 고차 함수(Higher-Order Function)는 다른 함수를 인자로 받거나, 결과로 함수를 반환하는 함수입니다.
• 이를 통해 함수를 조합하거나, 동적으로 함수를 생성할 수 있으며, 코드의 재사용성을 높일 수 있습니다.

👉 예시.

public static void main(String[] args) {
    Function<Integer, Integer> square = X -> X * X;
    System.out.println(applyFunction(square, 5)); // 25 출력
}

public static int applyFunction(Function<Integer, Integer> func, int value) {
    return func.apply(value);
}

4️⃣ 일급 시민(First-Class Citizen)

• 함수형 프로그래밍에서는 함수가 일급 시민(First-Class Citizen)으로 취급됩니다.
  • 이는 함수를 변수에 할당하거나, 함수의 인자로 전달하거나, 함수의 반환값으로 사용할 수 있다는 것을 의미합니다.
• 함수가 다른 데이터 타입(숫자, 문자열 등)처럼 취급되기 때문에 동적으로 함수의 행동을 변경할 수 있습니다.

📝 일급 시민(First-Class Citizen, 또는 First-Class Object)

프로그래밍 언어에서 변수나 함수가 다른 데이터 타입과 동일하게 취급되고, 자유롭게 사용할 수 있는 객체를 의미합니다.
일급 시민(First-Class Citizen 또는 First-Class Object)으로 간주되는 개체는 변수에 할당되거나, 함수의 인자(Arguments)로 전달되거나, 함수의 반환 값으로 사용할 수 있는 등 다양한 방식으로 활용될 수 있습니다.

이 개념은 주로 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)에서 사용되며, 특히 함수를 일급 시민(First-Class Citizen 또는 First-Class Object)으로 취급할 수 있는지 여부가 그 언어의 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP) 지원 수준을 결정하는 중요한 요소가 됩니다.

5️⃣ 부작용(Side Effects) 없는 코드.

• 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)에서는 함수가 부작용(Side Effect)을 일으키지 않도록 작성합니다.
  • 부작용(Side Effects)이란 함수가 외부 상태를 변경하거나, 입출력 작업을 수행하는 것을 말합니다.
• 부작용(Side Effects)이 없기 때문에, 코드의 예측 가능성과 재사용성이 높아집니다.

6️⃣ 함수 합성(Function Composition)

• 함수 합성(Function Composition)은 여러 함수를 결합하여 새로운 함수를 만드는 것을 말합니다.
  • 작은 함수들을 조합하여 복잡한 연산을 처리할 수 있게 합니다.
• 이는 재사용 가능한 작은 함수를 만들어, 더 큰 기능을 구현할 때 유용하게 사용할 수 있습니다.

2️⃣ 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)의 특징.

1️⃣ 코드의 가독성과 유지보수성.

• 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP)에서는 짧고 간결한 코드를 작성할 수 있으며, 코드가 명확하고 읽기 쉬워집니다.
  • 각 함수가 독립적으로 동작하기 때문에, 모듈화(Modularization)와 테스트가 용이합니다.

🙋‍♂️ 모듈화(Modularization)란 무엇일까요?

2️⃣ 병렬 처리와 동시성.

• 함수형 프로그래밍(Function Programmin, FP)의 불변성 덕분에, 여러 스레드(Thread)에서 동시 실행하더라도 데이터의 일관성이 유지됩니다.
• 따라서 병렬 처리를 할 때 데이터 경합(Race Condition) 문제가 발생하지 않으며, 안전하게 실행할 수 있습니다.

📝 데이터 경합 또는 레이스 컨디션(Race Condition).

두 개 이상의 스레드(Thread) 또는 프로세스(Process)가 동시에 공유 자원에 접근하고, 그 결과가 실행 순서에 따라 달라지는 상황을 말합니다.
즉, 동시성 프로그래밍(Concurrent Programming)에서 스레드들이 경쟁적으로 자원에 접근할 때 발생하는 문제로, 프로그램의 의도치 않은 결과를 초래할 수 있습니다.

레이스 컨디션(Race Condition)은 특히 공유 자원(변수, 데이터 구조, 파일 등)에 대해 읽기와 쓰기 작업이 동시에 이루어지는 경우에 발생하며, 동기화가 제대로 이루어지지 않으면 데이터의 일관성이 깨지게 됩니다.

3️⃣ 테스트 용이성.

• 순수 함수(Pure Function)는 입력값과 출력값의 관계가 명확하기 때문에 테스트하기 쉽습니다.
  • 또한, 부작용이 없기 때문에 독립적으로 테스트할 수 있어 단위 테스트(Unit Testing)에 적합합니다.

📝 단위 테스트(Unit Testing)

소프트웨어의 개별 구성 요소(함수, 메서드, 클래스 등)가 올바르게 동작하는지 검증하는 테스트 방법입니다.
단위 테스트(Unit Testing)의 목적은 프로그램의 가장 작은 단위(단위, 유닛)가 예상대로 작동하는지 확인하는 것입니다.
이를 통해 각 구성 요소가 독립적으로 정확하게 동작하는지를 보장할 수 있습니다.

3️⃣ 함수형 프로그래밍의 예시 (Java)

• Java 8부터는 함수형 프로그래밍(Function Programmig, FP) 스타일을 지원하기 위해 람다 표현식(Lambda Expression)과 스트림(Stream) API를 도입했습니다.

📝 람다 표현식(Lambda Expression)

익명 함수(Anonymous Function)로, 이름이 없는 간단한 함수를 의미합니다.
람다 표현식(Lambda Expression)을 사용하면 함수를 보다 간결하고 직관적으로 정의할 수 있으며, 코드의 가독성을 높이고 간단한 작업을 수행하는 데 유용합니다.
람다 표현식(Lambda Function)은 주로 함수형 프로그래밍(Function Programming, FP) 스타일을 지원하기 위해 도입되었으며, Java 8부처 Java에서도 사용할 수 있게 되었습니다.

🙋‍♂️ Java Stream이란 무엇일까요?

1️⃣ 람다 표현식(Lambda Expression)

• 람다 표현식(Lambda Expression)을 사용하면 간결하게 함수를 정의할 수 있습니다.

// 기존 방식
public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 람다 표현식
BinaryOperator<Integer> add = (a, b) -> a + b;
System.out.println(add.apply(3,4)); // 7 출력

2️⃣ 스트림(Stream) API

• 스트림은 컬렉션의 데이터를 필터링, 변환, 정렬, 집계할 수 있는 함수형 프로그래밍 스타일의 API입니다.

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;

public class StreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> nnumbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        
        // 짝수만 필터링하고, 각 숫자에 2를 곱한 리스트 생성
        List<Integer> result = numbers.stream()
            .filter(n -> n % 2 == 0)
            .map(n -> n * 2)
            .collect(Collectors.toList());
            
            System.out.println(result); // [4, 8] 출력
    }
}

4️⃣ 함수형 프로그래밍의 장점.

1️⃣ 코드의 간결성.

• 함수형 프로그래밍에서는 코드가 짧고 직관적이기 때문에, 읽기 쉽고 유지보수가 용이합니다.

2️⃣ 재사용성과 확장성.

• 작고 재사용 가능한 함수를 작성하여, 다른 프로그램이나 프로젝트에서 재사용할 수 있습니다.

3️⃣ 병렬 처리의 용이성.

• 불변성 덕분에 병렬 처리 환경에서도 안전하게 실행할 수 있으며, 효율적인 병렬 처리가 가능합니다.

4️⃣ 디버깅과 테스트의 용이성

• 순수 함수는 독립적으로 테스트할 수 있어, 디버깅과 단위 테스트가 쉽습니다.

5️⃣ 함수형 프로그래밍의 단점.

1️⃣ 러닝 커브.

• 함수형 프로그래밍의 개념에 익숙하지 않은 개발자에게는 러닝 커브가 있을 수 있습니다.
  • 특히 람다 표현식(Lambda Expression)과 고차 함수(Higher-Order Function)에 익숙해지는 데 시간이 필요할 수 있습니다.

2️⃣ 퍼포먼스 이슈.

• 불변성 때문에 새로운 객체를 매번 생성해야 하는 경우 메모리 사용량이 증가할 수 있으며, 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
  • 따라서 상황에 따라 성능 최적화를 고려해야 합니다.

6️⃣ 요약.

• 함수형 프로그래밍은 순수 함수, 불변성, 부작용 없는 코드를 강조하여, 가독성과 유지보수성, 재사용성이 높은 코드를 작성하는 프로그래밍 패러다임입니다.
• Java 8 이후의 람다 표현식(Lambda Expression)과 스트림(Stream) API는 함수형 프로그래밍(Function Programming ,FP) 스타일을 도입하여, 개발자가 더욱 간결하고 효율적인 코드를 작성할 수 있게 해줍니다.
• 함수형 프로그래밍은 병렬 처리와 동시성 문제에 강점을 가지며, 작은 함수들을 조합하여 모듈화(Modularization)된 코드를 작성할 수 있어, 코드의 재사용성과 확장성을 높이는 데 유리합니다.