함수형 프로그래밍 기초 (2) 필터, 맵, 폴드(리듀스)

🗓 2018/10/07 ⏰ 소요시간 36 분

함수형 접근

함수형 프로그래밍 언어의 문법을 배우는 것은 쉽습니다. 하지만 함수형으로 생각하는 방법을 익히는 것은 쉽지 않습니다. Java 에서 Scala 나 Clojure 로 바꾸는 것보다 문제에 접근하는 방식을 바꾸는 것이 더 중요합니다.

함수형 프로그래밍은 좀 더 추상화된 레벨에서 코딩할 수 있도록 합니다. 이게 어떤 의미인지 간단한 예제로 살펴보겠습니다. 우리가 구현할 로직은 다음과 같습니다.

이름을 담은 String List 를 받아서

이름이 한 글자가 넘는 이름들 중에
각 이름을 첫 글자만 대문자로 변형하고
쉼표(,)로 구분한 하나의 문자열로 변환한다.

그래서 만약 입력 값이 “tony”, “a”, “steve”, “captain” 라면 반환값은 “Tony,Steve,Captain”이라는 문자열이 됩니다.

일반적인 처리

먼저 자바로 로직을 구현해봅시다.

import java.util.List;

public class TheCompanyProcess {
  public String cleanNames(List<String> names) {
    StringBuilder result = new StringBuilder();
    for (String name : names) {
      if (name.length() > 1)
        result.append(capitalizeString(name)).append(" ,");
    }
    return result.substring(0, result.length() - 1);
  }

  private String capitalizeString(String s) {
    return s.substring(0, 1).toUpperCase() + s.substring(1);
  }
}

어려운 로직은 아니죠. 코드를 자세히 살펴보면 작성한 로직을 다음 세 개의 그룹으로 묶어서(추상화) 생각해 볼 수 있습니다.

한 글자 이름을 걸러내고(filter)
이름 첫 글자를 대문자로 변형하고(transform)
쉼표로 구분한 하나의 문자열로 변환한다(convert)

함수형 처리

함수형 프로그래밍에서는 이러한 필터, 변경, 변환하는 작업을 쉽게 할 수 있도록 해줍니다. 해당 작업을 루프 안에서 직접 기술하는 것이 아니라 추상화된 메소드(filter, transform, convert)를 이용해 작업할 수 있고, 세부 사항에 대한 내용은 함수를 인자로 넘겨줘서 처리할 수 있습니다. 의사코드를 한번 볼까요?

listOfNames
  -> filter(x.length > 1)
  -> transform(x.capitalize)
  -> convert(x + "," + y)

위에서 작성했던 일반적인 코드와 다른 점이 보이시나요? 우리가 풀어야 할 문제에 대해 더 추상적인 레벨에서 접근할 수 있고, 세부적으로 처리해야 하는 작업의 내용은 함수 인자(람다)를 이용해 전달합니다.

이 개념을 스칼라로 구현해보겠습니다.

val employees = List("tony", "a", "steve", "captain", "b", "thor", "hulk", "c");

val result = employees
  .filter(_.length > 1)
  .map(_.capitalize)
  .reduce(_ + "," + _)

의사코드와 거의 똑같습니다. 아주 간결하고 쉽게 읽히죠. 물론 함수의 이름은 map 이나 reduce 로 바뀌었지만 역할은 같습니다. 그리고 인자로 넘어가는 함수 모두 사용하는 변수의 이름은 크게 상관이 없기 때문에 스칼라에서는 이름을 생략하고 언더바(_)를 사용합니다.

이번엔 자바 8을 이용해 구현해보겠습니다. 자바는 스트림을 이용해서 처리할 수 있습니다.

public String cleanNamesWithJava8(List<String> names) {
  if (names == null) return "";
  return names.stream()
    .filter(name -> name.length() > 1)
    .map(this::capitalize)
    .collect(Collectors.joining(","));
}

private String capitalize(String s) {
  return s.substring(0, 1).toUpperCase() + s.substring(1);
}

이번엔 Groovy 로 작성해볼까요? findAll 을 이용해서 해당 조건을 만족하는 요소를 걸러내고 map의 그루비 버전인 collect 를 이용해서 맵핑하고 join 을 이용해 하나의 문자열로 변환합니다. 스칼라처럼 인자를 간단하게 치환하는데 그루비에서는 it 라는 키워드를 사용합니다.

class TheCompanyProcess {
  public static String cleanNames(listOfNames) {
    listOfNames
    .findAll { it.length() > 1 }
    .collect { it.capitalize() }
    .join ','
  }
}

마지막으로 클로저를 살펴보겠습니다. 클로저가 익숙하지 않으면 코드를 읽기 어려울 수 있습니다. 😅 하지만 자세한 문법을 몰라도 어떤 식으로 이루어졌는지는 살펴볼 수 있습니다. 클로저는 안에서 밖으로 실행됩니다. 그래서 제일 안쪽인 매개변수 list-of-emps 부터 시작해서 (filter ), (map ), (reduce ) 순으로 실행됩니다.

(ns trans.core
  (:require [clojure.string :as s]))

(defn process [list-of-emps]
  (reduce str (interpose ","
    (map s/capitalize (filter #(< 1 (count %)) list-of-emps)))))

참고로 클로저에서는 이렇게 함수가 중첩되면 알아보기 어려워지기 때문에 thread-last(->>)라는 매크로를 이용해서 가독성을 높일 수 있습니다. 이렇게 되면 왼쪽에서 오른쪽으로 실행되는 순서가 바뀝니다.

(defn process2 [list-of-emps]
  (->> list-of-emps
       (filter #(< 1 (count %)))
       (map s/capitalize)
       (interpose ",")
       (reduce str)))

지금까지 일반적으로 작성한 코드와 함수형으로 작성한 의사코드, 그리고 의사코드를 구현한 코드를 살펴봤습니다. 자바, 스칼라, 그루비, 클로저 모두 함수 이름이나 문법은 조금씩 달랐지만 함수형 프로그래밍의 주요 개념을 포함하고 있습니다.

함수형으로 작성하면 더 추상적인 레벨에서 코드를 작성할 수 있습니다. 이렇게 추상적으로 작업을 하면 코드가 간결할 뿐만 아니라 런타임에서 최적화를 해줘서 성능을 높여주고 엔진 레벨에서 처리해야 하는 코드에 신경쓰지 않게 도와줍니다. 예를 들어 쓰레드를 이용해 병렬 처리를 해야 할 경우엔 par 를 붙여서 병렬 스트림을 만들기만 하면 됩니다.

var parallelResut = names
  .par
  .fileter(_.length() > 1)
  .map(_.capitalize)
  .reduce(_ + "," + _)

함수형 작업

앞에서 사용했던 함수형 작업은 다음과 같습니다.

필터 filter
맵 map
폴드/리듀스 fold/reduce

필터 filter

필터는 큰 컬렉션에서 조건에 맞는 작은 컬렉션을 만들어내는 연산입니다. 데이터를 필터링해서 걸러내는 거라고 볼 수 있습니다.

맵 map

맵은 해당 값에 함수를 적용해 새로운 컬렉션을 만드는 연산입니다. 값을 매핑하는 거라고 볼 수 있습니다.

폴드/리듀스 fold/reduce

폴드 또는 리듀스는 언어들 사이에서도 이름이 다양하고 조금씩 의미도 다릅니다. 이 작업은 연산(operation)과 누산기(accumulator)를 가지고 컬렉션에 있는 값을 처리해 더 작은 컬렉션이나 단일 값을 만드는 작업입니다. 그림은 목록에 있는 값을 모두 더하는 작업입니다. 여기 누산기에 초기 값이 있는 경우도 있습니다.

예제) 자연수 분류하기

다른 예제를 살펴봅니다. 고대 그리스의 수학자 Nicomachus 는 자연수를 과잉수, 완전수, 부족수로 나누는 분류법을 고안했다고 합니다. 여기서 완전수는 자신을 뺀 약수의 합과 같습니다. 예를 들면 6의 약수는 1, 2, 3, 6으로 1 + 2 + 3 = 6이므로 완전수입니다. 28도 1 + 2 + 4 + 7 + 14 = 28이므로 완전수입니다. 여기서 자신을 뺀 약수의 합을 진약수의 합(aliquot sum)이라고 합니다.

완전수 : 진약수의 합 = 수
초과수 : 진약수의 합 > 수
부족수 : 진약수의 합 < 수

일반적인 코드

위 내용을 자바로 작성해봅시다. 클래스에 필드로 해당 숫자를 저장하고 메소드를 이용해서 완전수 여부를 계산합니다. Map으로 캐시도 구현해놨고 기능을 여러 메소드로 분리해놨는데 이제 함수형으로 차근차근 바꿔나갈겁니다.

public class ImpNumberClassifierSimple {
  private int _number;
  private Map<Integer, Integer> _cache;

  public ImpNumberClassifierSimple(int targetNumber) {
    this._number = targetNumber;
    _cache = new HashMap<>();
  }

  public Set<Integer> getFactors() {
    Set<Integer> factors = new HashSet<>();
    factors.add(1);
    factors.add(_number);
    for (int i = 2; i < _number; i++)
      if (isFactor(i))
        factors.add(i);
    return factors;
  }

  public boolean isFactor(int potential) {
    return _number % potential == 0;
  }

  /**
   * @return 진약수(자신을 제외한 약수)의 합
   */
  public int aliquotSum() {
    if (_cache.get(_number) == null) {
      int sum = 0;
      for (int i : getFactors())
        sum += i;
      _cache.put(_number, sum - _number);
    }
    return _cache.get(_number);
  }

  /**
   * @return 완전수 여부
   */
  public boolean isPerfect() {
    return aliquotSum() == _number;
  }

  /**
   * @return 초과수 여부
   */
  public boolean isAbundant() {
    return aliquotSum() > _number;
  }

  /**
   * @return 부족수 여부
   */
  public boolean isDeficient() {
    return aliquotSum() < _number;
  }
}

조금 수정한 코드

위 코드를 함수형으로 조금 변환해보겠습니다.

public class NumberClassifier {

  public static boolean isFactor(final int candidate, final int number) {
    return number % candidate == 0;
  }

  public static Set<Integer> factors(final int number) {
    Set<Integer> factors = new HashSet<>();
    factors.add(1);
    factors.add(number);
    for (int i = 2; i < number; i++)
      if (isFactor(i, number))
        factors.add(i);
    return factors;
  }

  public static int aliquotSum(final Collection<Integer> factors) {
    int sum = 0;
    for (int n : factors) {
      sum += n;
    }
    return sum - Collections.max(factors);
  }

  public static boolean isPerfect(final int number) {
    return aliquotSum(factors(number)) == number;
  }

  public static boolean isAbundant(final int number) {
    return aliquotSum(factors(number)) > number;
  }

  public static boolean isDeficient(final int number) {
    return aliquotSum(factors(number)) < number;
  }
}

달라진 부분이 보이시나요? 먼저 클래스 내에 상태를 저장하지 않기 위해서 필드를 없애고 각 메소드에서 number 인자를 받도록 변경했습니다. 따라서 모든 메소드는 필드를 사용하지 않는 static 메소드로 바꿀 수 있고 함수 수준에서 재사용이 쉬워졌습니다.

하지만 내부에 상태를 저장하지 않기 때문에 캐시가 없기 때문에 성능이 떨어질 수 있습니다. 다음 포스트에서 메모제이션을 통해 상태성을 보존하는 방법을 살펴봅니다.

함수형 코드

이제 람다를 이용해 함수형 코드로 바꿔봅시다. 훨씬 간결해졌죠?

public class NumberClassifierLambda {

  public static IntStream factorsOf(int number) {
    return range(1, number + 1)
            .filter(potential -> number % potential == 0);
  }

  public static int aliquotSum(int number) {
    return factorsOf(number).sum() - number;
  }

  public static boolean isPerfect(int number) {
    return aliquotSum(number) == number;
  }

  public static boolean isAbundant(int number) {
    return aliquotSum(number) > number;
  }

  public static boolean isDeficient(int number) {
    return aliquotSum(number) < number;
  }
}

factorsOf메소드는 스트림을 생성하고 약수만 필터링합니다. 스트림은 종료 작업을 하기 전까지는 계속해서 작업을 할 수 있죠. 여기서는 sum()은 스트림을 종료하고 값을 생성해줍니다.

참고

도서 <함수형 사고>

함수형 프로그래밍 기초 (1) 왜 함수형 프로그래밍인가
함수형 프로그래밍 기초 (2) 필터, 맵, 폴드(리듀스)
함수형 프로그래밍 기초 (3) 클로저와 커링
함수형 프로그래밍 기초 (4) 메모제이션과 Lazy
함수형 프로그래밍 기초 (5) 코드 재사용
함수형 프로그래밍 기초 (6) 함수형 디자인 패턴
함수형 프로그래밍 기초 (7) 실전 예제
함수형 프로그래밍 기초 (8) 폴리글랏과 폴리패러다임

Programming