[System Engineering] (iOS) 프로그래밍 패러다임 / 함수형 프로그래밍 (feat. swift 코드로 비교하며 알아보기)

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GitHub - JulSaMo/CS-start: 📝 CS 지식 대백과 ✨

 

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🟠 프로그래밍 패러다임 (Programming Paradigm)

프로그래밍 패러다임은 프로그래머에게 프로그래밍의 관점으 락젝하고 코드를 어떻게 작성할 지 결정하는 역할을 한다. 새로운 프로그래밍 패러다임을 통해서 새로운 방식으로 생각하는 법을 배우게 되고, 이를 바탕으로 코드를 작성하게 된다.

프로그래밍 패러다임은 아래와 같이 구별할 수 있다.

🔸 명령형 프로그래밍

무엇(what)을 할 것인지 나타내기보다 어떻게(How) 할 것인지를 설명하는 방식
프로그래밍의 상태, 상태를 변경시키는 구문의 관점에서 연산을 설명한다.

• 절차지향 프로그래밍
  • 수행되어야할 순차적인 처리 과정을 포함하는 방식 (C, C++)
• 객체지향 프로그래밍
  • 객체들의 집합으로 프로그램의 상호작용을 표현 (C++, Java, C#)

🔸 선언형 프로그래밍

어떻게 할건지(HOW)보다는 무엇을 (WHAT)을 할 건지 설명하는 방식

• 함수형 프로그래밍
  • 순수 함수를 조합하고 소프트웨어를 만드는 방식 (클로저, 하스켈, 리스프)

🦁 이해를 돕기위한 선언형과 명령형 프로그래밍의 차이점!

<명령형 프로그래밍> How 에 집중
- 자리에서 일어난다
- 부엌으로 이동한다
- 컵과 물을 찾는다
- 컵에 물을 부어 마신다

<선언형 프로그래밍> What에 집중
- 물을 찾아 마셔보자!

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🟠 함수형 프로그래밍

• 명령형 프로그래밍으로 개발하던 개발자들은 소프트웨어의 크기가 점점 커짐에 따라 복잡하게 엉켜있는 코드를 유지보수하기 힘들다는 것을 느낌
• 이러한 단점을 해결하기 위해서 함수형 프로그래밍을 사용하게됨.
• 함수형 프로그래밍은 거의 모든 것을 순수함수로 나누어 문제를 해결하므로, 작은 문제를 해결하기 위한 함수를 작성하여 가독성을 높이고 유지보수를 용이하게 해줌
• 값이나 상태 변화 보다는 함수 자체의 응용을 중요하게 여긴다
• 프로그램 동작 과정에서 상태가 변하지 않으면 홤수 호출이 각각 상호 간섭 없이 실행되므로 병렬처리를 할 때 부작용이 거의 없다는 장점이 있음.

 

🔸 함수형 프로그래밍에 대한 이해

함수형 프로그래밍은 작은 문제를 해결하기 위한 함수를 작성한다. 그렇기 때문에 함수형 프로그래밍에서는 n까지 반복문을 돌면서 숫자를 출력하고 싶을때, 아래와 같이 코드를 작성할 수 있다. (아래 process 코드는 이해를 돕기위한 수도코드이다.)

process(10, print(num))

첫번째 인자는 몇 번 iteration을 돌 것인지 매개변수로 받았고, 두번째 인자로 전달받은 값을 출력하라는 함수를 매개변수로 받고 있다. 즉, 출력하는 함수를 파라미터로 넘겼다는 뜻인데, 이렇게 넘길 수 있는 이유는 '함수형 프로그래밍의 기본원리, 함수는 1급객체로 취급한다'라는 특징 때문이다. (이 함수형 프로그래밍에 대한 설명은 뒤에서 추가로 더 있어염)

🦁 명령형 프로그래밍과 다른점

명령형 프로그래밍에서는 메소드를 호출하면 상황에 따라 내부의 값이 바뀔 수 있다. 우리가 개발한 함수 내에서 선언된 변수의 메모리에 할당된 값이 바뀌는 등의 변화가 일어날 수 있기 때문이다.

하지만 함수형 프로그래밍은 메모리에 한 번 할당된 값은 새로운 값으로 변할 수 없다. 즉, 코드 이해와 실행결과의 관점에서 순수하게 함수에 전달된 인자 값만 결과에 영향을 주므로, 다른 상태값을 갖지 않고 순수하게 함수만으로 동작하여 언제나 일정한 결과값을 도출한다.

 

 

🔸 함수형 프로그래밍의 특징

✨ 부수효과 (side Effect)가 없는 순수 함수를 1급 객체 (first-class object)로 간주하여 파라미터나 반환값으로 사용할 수 있으며, 참조 투명성을 지킬 수 있다.

🦁 부수효과 (Side Effect) 란

부수효과란, 다음과 같은 변화 또는 변화가 발생하는 작업을 의미한다.

• 변수의 값이 변경됨
• 자료구조를 제자리에서 수정함
• 콘솔 또는 I/O가 발생함

지금은 부수효과가 이해가 안갈 수 있다. 순수함수랑 부수효과를 함께 이해해보자.

🦁 순수함수 (Pure Function) 란

위의 부수효과들을 제거한 함수들을 순수함수라고 한다. 함수형 프로그래밍에서 이용하는 함수는 이러한 순수함수이다! 즉, 부수효과가 없는 것이 순수함수이므로, 들어온 인자가 같으면 결과가 항상 같은 함수

💬 예시를 통해 알아보자.

var testName = "hello world"

func getName -> String {
    return testName
}

위 함수는 순수함수일까? ❌
- getName함수는 외부에 있는 name에 영향을 받는다.
- name이 var로 선언되어 있어서 side-effect가 존재할 가능성이 높기 때문에 순수함수가 아니다.

그럼 위 함수를 순수함수로 바꿔보자.

func getName(_ name: String) -> String {
    return name
}

이렇게 바꾸면 순수함수이다. ✅
- 함수 자체에 파라미터로 받은 name의 데이터로만 결정되기 때문에 
외부의 영향을 전혀 받지 않고 파라미터의 입력에 대해서는 동일한 결과를 나타낸다.

하지만!!! 위에서 var 로 선언되어 side effect가 발생할 가능성이 존재한다고 했잖음?

let testName = "hello world"

func getName -> String {
    return testName
}

이렇게 바꿔도 순수함수이다!! ✅

💬 순수함수의 장점을 알아보자

• 함수 자체가 독립적이며 side-effect가 없기 때문에 Thread에 안전성을 보장받을 수 있다. (순수함수는 메모리, I/O의 관점에서 side effect가 없기 때문에 안전성을 보장받는 것이다.)
• Thread에 안전성을 보장받아 병렬처리를 동기화없이 진행할 수 있다.

🦁 1급객체 (first class object)란

1급 객체는 다음과 같은 조건을 만족하는 것들이 1급객체가 될 수 있다.

- 변수나 데이터 구조 안에 담을 수 있다.
- 파라미터로 전달 할 수 있다.
- 반환값으로 사용할 수 있다.
- 할당에 사용된 이름과 무관하게 고유한 구별이 가능하다.

함수형 프로그래밍에서 함수는 1급객체로 취급받기 때문에 위 예제에서 본 process(10, print(num)) 처럼 함수를 파라미터로 넘기는 등의 작업이 가능한 것이다.

🦁 참조 투명성 (Referential Transparency)

- 동일한 인자에 대해 항상 동일한 결과를 받아야 한다.
- 참조 투명성을 통해 기존의 값은 변경되지 않고 유지된다.

명령평 프로그래밍과 함수형 프로그래밍에서 사용하는 함수는 side effect의 유무 에 따라 차이가 있다. 이에 따라서 함수가 참조에 투명한지 안한지 나눠지는데, 참조에 투명하다는 것은 말 그대로 함수를 실행하여도 어떠한 상태 변화 없이 항상 동일한 결과를 반환하여 항당 동일하게(투명하게) 실행 결과를 참조(예측)할 수 있다는 것을 의미한다.

 

🔸 함수형 프로그래밍의 장점을 알아보자!

• 여러가지 연산 처리 작업이 동시에 일어나는 프로그램을 짜기 쉽다.
• 멀티코어 혹은 여러 연산 프로세서를 사용하는 시스템에서 효율적인 프로그램을 만들기 쉽다.
• 상태변화에 따른 부작용에서 자유로워지므로 순수하게 기능 구현에 초점을 맞춰 설계가 가능하다.

 

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🟠 명령형 프로그래밍과 함수형 프로그래밍 코드로 비교해보기

doSomething 함수와 doAnotherThing 함수를 동시에 실행하는 코드를 작성했다고 치자.

// ✅ 명령형 프로그래밍
class CommandProgramming {
    func doSomething() {
        print("doSomething")
    }
    
    func doAnotherThing() {
        print("doAnotherThing")
    }
    
    func executeAll() {
        doSomething()
        doAnotherThing()
    }
}

// 호출
excuteAll()

// ✅ 함수형 프로그래밍
class CommandProgramming {
    func doSomething() {
        print("doSomething")
    }
    
    func doAnotherThing() {
        print("doAnotherThing")
    }
    
    func executeAll(tasks: [() -> Void)) {
        for task in tasks {
            task()
        }
    }
}

// 호출
excute(tasks: [doAnotherThing, doSomething])

함수형 프로그래밍 안에서는 함수가 일급객체 이므로, 함수를 전달인자 또는 반환값으로 사용할 수 있다. 차이점을 표로 보면 다음과 같다.

 

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📖 REFERENCE

https://borabong.tistory.com/5

[Swift] 함수형 프로그래밍이란?

https://mangkyu.tistory.com/111

[프로그래밍] 함수형 프로그래밍(Functional Programming) 이란?

https://jinnify.tistory.com/54

[Swift] 1. 순수함수, Pure Function (Functional Programming in Swift)