뭔가 서로 연관이 있어 보이면서도 명확히 정리 해보지 못했던 것들에 대해 정리해본다.
First class object
프로그래밍 언어에서 일급 객체(first-class object)란 무엇일까? 정의는 아래와 같다.
특정 언어의 일급 객체 (first-class citizens, 일급 값, 일급 엔티티, 혹은 일급 시민)이라 함은 컴퓨터 프로그래밍 언어 디자인에서 일반적으로 다른 객체들에 적용 가능한 연산을 모두 지원하는 객체를 가리킨다. 함수에 매개변수로 넘기기, 변수에 대입하기와 같은 연산들이 여기서 말하는 일반적인 연산의 예에 해당한다. - Wikipedia
Object 라는 개념에 대한 언어별 해석이 다를 수 있기 때문에 First-class citizen 과 같이 좀 더 추상화 시킨 표현도 사용하지만, 이 포스팅에서는 object를 유지하겠다.
일급 객체로서의 조건을 좀 더 상세히 기술하면 아래와 같다.
- 변수나 데이터 구조안에 담을 수 있음.
- 파라미터로 전달할 수 있음.
- 반환값으로 사용할 수 있음.
- 할당에 사용된 이름과 관계없이 고유한 구별이 가능함.
- 동적으로 프로퍼티 할당이 가능함.
예를 들어, C의 array는 일급 객체일까? 아래와 같이 예제를 작성해서 확인 해보자.
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C에서의 pointer와 array의 관계에 대해서는 이 포스팅을 참고하자.
우선, getSizeOfArray() 함수의 시그니처에서 확인할 수 있듯 이 함수는 int[] 타입의 파라미터를 받고 있다. 그렇다면 결과로 40이 나와야 할 것 같지만(4 bytes * 10개) 당연하게도 포인터의 크기인 8이 출력된다. 이에 더해서, (컴파일러 설정에 따라 다르겠지만) 위 코드를 컴파일 하면 아래와 같은 경고 메시지를 확인할 수 있다.
warning: ‘sizeof’ on array function parameter ‘array’ will return size of ‘int *’ [-Wsizeof-array-argument] return sizeof(array);
array의 이름은 array의 첫 번째 요소를 가리키는 포인터이기 때문이다. sizeof operator는 단지 compile-time에 결정 가능한 값을 출력할 뿐이므로 해당 array가 선언 된 code block에서는 예상한 값을 얻을 수 있는 반면, 단순히 포인터가 전달 되는 매개 변수로서의 배열은 알 방법이 없다. 이는 아예 고정 크기 배열로서의 파라미터를 표현 하고자 한 getSizeOfFixedArray() 함수일지라도 마찬가지이다. 함수의 매개 변수로 전달 되는 배열은 크기를 적더라도 컴파일러에 의해 무시되고 포인터로 해석된다. 배열 포인터는 어떨까. 결국 배열을 가리키는 포인터이므로 역시 포인터의 크기가 출력 될 뿐이다.
C의 main() 함수의 시그니처를 생각해 보면 아래 세 가지가 가능한데,
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argc가 왜 존재 할 수 밖에 없는지를 생각해보면 자명하다. 따라서 C에서 array는 array 자체로서 파라미터 전달이 불가능하므로 일급 객체가 아님을 알 수 있다.
Function as a first-class object
일급 객체로서의 함수란 무엇일까? 아래 Go 예제를 통해 확인해보자.
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CalcFunction()은 전달 받은 인수에 따라 func(int, int) int 라는 시그니처를 가지는 함수를 리턴하고 있다. AddFunc() 이든 SubFunc() 이든 시그니처가 일치 하므로 리턴 된 함수는 변수 calcFunc에 할당 되고 이후 calcFunc() 호출을 통해 사용할 수 있다. 즉 함수를 변수에 대입하고, 인자로서 전달하고, 함수의 리턴 값으로 반환 할 수 있으므로 Go 의 함수는 일급 객체이다. 일급 객체로서의 함수 개념의 부분 집합으로 함수를 인자로 받을 수 있고 && 함수를 리턴할 수 있는 함수를 high-order function(고차 함수, 고계 함수) 라고 한다.
Java의 경우는 어떨까? Java의 세계에서는 primitive type을 제외한 모든 것들은 Object로 표현된다. Function이라는 개념(인자와 리턴 값을 가질 수 있는 코드 블럭)도 Java에서는 특정 object를 추상화하는 class의 method로서만 존재할 수 있을 뿐이다. 즉, 함수라는 형태의 코드 블록 자체만을 다루는 것을 언어적으로 지원하지 않는다.
하지만 C의 경우는 조금 고민이 필요할 것 같다. C에서는 function을 가리키는 pointer인 function pointer를 이용하면 동일하게 함수를 대입/전달/반환 할 수 있다. 그럼 C에서도 function은 일급 객체인걸까? 위 예제를 C로 동일하게 구현하면 아래와 같다.
#include <stdio.h>
typedef int(*fpCalcFunc)(int, int);
typedef enum e_CalcType {
ADD = 0,
SUB
} CalcType;
int AddFunc(int a, int b) {
return a+b;
}
int SubFunc(int a, int b) {
return a-b;
}
fpCalcFunc CalcFunction(CalcType calcFuncType) {
switch (calcFuncType) {
case ADD:
return AddFunc;
break;
case SUB:
return SubFunc;
break;
default:
printf("unsupported calculation type: %s\n", calcFuncType);
}
return NULL;
}
int main() {
int a = 10;
int b = 5;
fpCalcFunc calcFunc = NULL;
calcFunc = CalcFunction(ADD);
printf("add : %d\n", calcFunc(a, b));
calcFunc = CalcFunction(SUB);
printf("sub : %d\n", calcFunc(a, b));
}
// add : 15
// sub : 5
굳이 이런 예제가 아니더라도 이미 C에서 정렬을 위한 qsort() 호출 시, 비교하는 로직을 담은 함수를 인자로 전달하고 있음을 잘 알고 있다. 여튼 C의 함수는 함수 포인터를 이용하면 (함수 포인터)변수에 할당할수도 있고, 함수의 인자로 넘길수도 있으며, 함수의 리턴 값으로 반환할수도 있다.
하지만 언어 자체적으로 함수를 표현하기 위한 키워드가 존재하지 않음으로 인해 포인터의 힘을 빌어 마치 일급 객체인 것 처럼 사용할 수 있는 것에 더 가깝다고 생각한다. (포인터를 이용해 C++의 call-by-reference 인 것 처럼 사용할 수 있지만 실상은 전달하는 값이 address 일 뿐인 것 처럼)
First-class function and anonymous function
First-class function이란 말 그대로, First-class object 로서의 function을 의미한다. 다섯 가지 first-class object의 조건에 더해 아래 두 가지 조건을 추가로 충족해야 한다.
- 런타임 생성이 가능해야 함.
- 익명으로 생성 가능해야 함.
위에서 사용한 Go예제를 조금 바꾸어 보자.
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First-class function 설명에서 사용한 예제와 동일하지만, 명시적으로 named function이었던 AddFunc()와 SubFunc()을 정의 하는 대신, 동일한 시그니처와 구현부를 가진 코드 블럭을 리턴하고 있다. 이름이 없는 함수 즉, anonymous function인 것이다. 이름이 없기 때문에 명시적으로 변수에 할당 해두지 않는 이상 익명 함수를 다시 접근할 수 있는 방법이 없고, 주로 이런 식으로 일회성 용도의 코드를 정의할 때 주로 사용 한다. Java에서 보통 Thread 생성 시 Runnable 인터페이스의 익명 구현체를 사용하곤 하는 패턴이 연상 될 것이다.
Closure
클로저를 한 문장으로 정의해보자면 아래와 같다고 생각한다.
의존하는 객체에 대한 문맥을 유지하고 있는 코드 블록
아래 코드를 보자.
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Adder()는 익명 함수를 리턴 하는 함수이다. 특이한 점은 Adder()의 인자로 받은 값인 base를 내부에서 리턴 하는 익명 함수에서 사용하고 있다는 점이다. base는 Adder()의 파라미터로서 정의 된 지역 변수이고, 해당 코드의 실행이 끝나면 더 이상 사용할 수 없는 것이 보통이다. 하지만 반환 된 익명 함수가 해당 객체를 사용함으로 인해 의존성이 생기게 되고, 마치 외부 scope의 변수를 참조하는 것 처럼 사용하게 된다. 그렇지만 base의 값과 이에 대한 접근은 오로지 해당 코드 블록에서만으로 제한 되는 것이다. 즉, 특정 동작을 수행 하는 코드 블록이 생성 되는 시점의 모든 의존성을 내부에 함께 포함하고 있게 되고, 이는 일급 함수로서 동작 흐름 자체를 변수에 저장할 수 있게 된다. 이러한 형태를 클로저라고 하고, Go는 언어적으로 클로저를 지원한다.
C에서의 클로저는 어떤 모습일까? 앞서 알아보았듯 C에서의 코드 블록에 대한 전달은 함수 자체를 일급 객체로서 전달하는 것이 아니라 함수 포인터를 이용하여 유사한 구현이 가능하도록 할 뿐이고, 당연하게도 외부 scope에 대한 참조 자체가 허용 되지 않으므로 클로저라는 개념이 없다. 하지만 일급 함수의 경우 처럼, 역시 흉내 낼 수는 있다. 아래 코드를 보자.
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GCC의 비표준 확장인 nested functions를 이용하여 외부 scope의 변수를 참조하는 add()를 사용하고 있다. 하지만 역시 언어적인 한계로 인해 어거지스러움은 피할 수 없다. 함수 내부에 감추고자 하는 의도가 있는 변수인 base를 코드 블록에 포함 시켜 함수 형태로 반환할 수 없기 때문이다.
Java의 경우는 어떨까.
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Java 역시 일급 함수를 가질 수 없기 때문에 Go와 같은 언어 자체적인 클로저 지원은 없다. 하지만 위 코드처럼 anonymous object를 생성하고 외부 scope의 변수를 참조할 수 있다. 하지만 Java의 경우 이렇게 외부 scope에 대한 참조가 생기게 되면 해당 의존성이 있는 외부 변수의 값을 변경할 수 없게 된다. 즉, read-only로 취급되며, 이는 코드 흐름 상 의존성이 생기기 전이든 후든 관계 없다. 참조만 가능하게 되는 것이다. 이게 무슨 클로저냐 라는 생각이 들지만, 제한적 클로저라는 표현으로 취급하기도 하는 모양이다.
Lambda calculus
컴퓨터과학 및 수리논리학에서, 람다 대수 또는 람다 계산(λ-calculus, lambda-calculus)이란 변수의 네임 바인딩과 대입의 방법을 이용하여 함수 정의, 함수 적용, 귀납적 함수 추상화를 수행하고 수학 연산을 표현하는 형식 체계이다. - Wikipedia
수학적 영역이므로 개념을 확인 하는 정도로만 정리해본다. (앞으로 함수형 프로그래밍을 학습하며 추가적인 보충/수정이 필요하다)
람다 대수는 함수를 단순하게 표현할 수 있게 함으로써 함수의 계산이라고 하는 부분을 더 잘 이해할 수 있도록 한다. 람다 대수를 통해 함수를 표현 함으로써 아래 사실을 확인할 수 있다.
- 함수가 반드시 이름을 가질 필요는 없다.
- 함수의 입력 변수 또한 이름을 가질 필요는 없다.
- 두 개 이상의 입력을 받는 함수는 하나의 입력을 받아 또 하나의 함수를 출력하는 함수의 연속으로 다시 쓸 수 있다. (==
Currying)
함수형 프로그래밍에 대해 표현하자면, 수학적으로 람다 대수의 개념에 맞게 모델링한 함수의 조합을 바탕으로 프로그램을 작성하는 것이라고 할 수 있을 것 같다.
Lambda function
그렇다면 람다 대수의 개념에 따라 모델링한 함수를 람다 함수라고 부를 수 있을 것 같은데, 정확히 람다 함수란 무엇일까. Go에서는 함수의 이름과 그 함수의 입력 변수의 이름을 생략한 것, 즉 그 함수의 시그니처를 func 리터럴을 이용해 익명 함수로서 표현할 수 있다. 또한, 이 익명 함수에서 또 다른 익명 함수를 반환할 수 있고, 외부 scope의 변수를 바인딩 함으로써 두 개 이상의 입력 변수를 가지는 함수를 단일 입력 변수를 가지는 일련의 함수들로 다시 쓸 수 있다. 이것을 currying이라고 한다. 아래 코드를 보자.
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정수 a, b, c를 입력 받아 b와 c를 곱한 값에 a를 더한 결과를 리턴하는 함수 calculate()가 있다. 이 함수를 커링해보자. 즉, 단일 입력 변수를 가지는 함수의 연속으로 표현을 바꿔보자는 얘기이다. 우선, multiply(3)을 호출해 정수 하나를 입력 받아 3을 더한 값을 리턴하는 함수인 multiplier()를 생성했다. 그리고 add()의 인수로 multiplier(2)를 넘기고 adder()를 생성했는데, 생성 된 adder()는 정수 하나를 입력 받아 multiplier(2)의 결과 값을 더한 값을 리턴하는 함수이다. 최종적으로 add(1)을 호출하면 calculate()의 동작과 같은 값을 출력하는 함수가 된다. 즉, 세 개의 매개변수를 가지는 calculate()를 하나의 매개변수 만을 가지는 multiply(), add()의 연속으로 표현할 수 있음을 알 수 있다.
Go의 경우와 같이, 익명 함수를 지원하는 언어에서는 대부분 익명 함수를 통해 람대 대수의 개념에 따라 함수를 모델링 한 람다 함수를 표현할 수 있기 때문에 익명 함수와 람다 함수를 거의 동일한 개념으로 이해 하는 것 같다.
Lambda expression
람다 표현식은 어떠한 코드 블록을 하나의 식(expression)으로 표현 하는 것을 말한다. 보통 각 언어에서의 함수 또는 메서드가 코드 블록에 해당 하므로, 이들을 특정 표현 규칙에 맞추어 기술하고 이 표현을 통해 함수를 나타낼 수 있다.
C의 경우 일급 함수를 지원 하지 않으므로 애당초 람다 함수라는 개념에서 벗어나 있다.
Go는 func 리터럴을 통해 익명 함수를 표현할수는 있지만 람다 표현식을 지원하지는 않는다. Go를 functional programming language(함수형 프로그래밍 언어)라고 구분하지 않는 이유인데, 이는 Go로 함수형 프로그래밍 이라는 패러다임을 구현할 수 있는가 와는 다른 문제이다. (위에서 살펴 보았듯 Go로도 람다 함수를 표현 할 수 있다) 람다 표현식은 람다 함수를 표현하기 위한 방법 중 하나일 뿐이다.
Java는 JDK1.8에서 정식으로 lambda expression을 지원하고 있다. 기존 자바 문법에서는 모든 것이 객체로 표현 되어야 하고, 함수 형태의 코드 블록을 다루기 위해서는 클래스를 생성 하고 해당 클래스에 포함 되는 메서드 형태가 필수라는 제약이 있었다. 즉 함수를 나타내는 리터럴이 존재하지도 않고, 언어의 구현 스펙을 변경하지 않는 이상 Java에서는 익명 함수 자체가 구현 불가능한 내용 이었지만, 람다 표현식이 언어에 정식으로 추가 됨으로 인해서 함수 형태로 다룰 수 있게 되었다. 이를 위해 새로운 문법 혹은 타입을 추가하지 않고 하나의 추상 메서드를 가지는 인터페이스를 람다 표현식을 이용해 람다 함수와 매핑하는 구조를 마련하였다. 하나의 추상 메서드만을 가지는 인터페이스를 함수형 인터페이스(functional interface)라고 정의하고, 람다 표현식을 이용해 이 인터페이스의 익명 구현체를 생성하여 전달 함으로써 익명 함수를 다룰 수 있게 한 것이다.
편하게 이해 해보자면, 어떠한 함수자체를 전달 할 방법이 없으니 그 함수의 구현부를 나타낼 수 있는 표현 방법을 마련해서 그 표현 방법 대로 함수의 동작을 나타내는 경우 이것을 하나의 메서드를 가지는 익명 클래스로 구현하여 대신 전달해준다고 볼 수 있을 것 같다.
클로저 설명 시 사용 했던 Java 예제 코드를 람다 표현식을 사용하도록 변경 해보면 아래와 같다.
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Addable interface에 @FuntionalInterface라는 annotaion이 붙어 있을 경우, 해당 인터페이스가 람다 표현식으로 매칭 가능한 인터페이스 인지, 즉 단일 추상 메서드만을 가진 인터페이스인지(물론 디폴트 메서드나 정적 메서드는 상관 없음)를 컴파일러가 체크해준다. Addable 인터페이스 변수 adder에 람다 표현식을 이용해 int add(int) 메서드를 오버라이딩한 구현체를 대입하였다. 실제 생성 된 것은 Addable 인터페이스의 구현체이지만 마치 하나의 표현식으로 정의한 함수를 변수에 대입하는 것과 같이 표현 가능하다. 즉, 변수에 함수를 담고 있는 것이며, 물론 함수의 반환 값으로 함수를 반환할수도 있게 되었고, 이를 통해 깔끔하게 Java에서의 람다 함수를 구현할 수 있게 되었다.
Oracle에서 제공하는 Java 스펙에서 지원하는 람다 표현식의 예는 아래와 같다.
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