함수형 프로그래머가 되고 싶다고? (Part 1)

이 문서는 https://medium.com/@cscalfani/so-you-want-to-be-a-functional-programmer-part-1-1f15e387e536#.j86p4zvzs 를 번역한 내용입니다.

함수형 프로그래밍 개념을 처음으로 접해본다는 것 자체가 중요하다. 그리고 이 단계가 가장 어렵기도 하다. 하지만, 올바른 관점으로 접근한다면 그렇게 어렵진 않다.

운전을 배울 때

처음 운전을 배울 때, 우리는 당황한다. 다른 사람들이 운전하는 걸 볼 때에는 확실히 쉬워보였지만, 막상 해보면 생각했던 것보다 어렵다.

우리는 부모님의 자동차로 연습한다. 그리고 집 근처 쉬운 길을 마스터 하기 전까지는 고속도로 주행을 하지 않는다.

하지만 연습이 반복되고, 끔찍한 기억들이 지나가면서 우리는 연습을 충분히 하게되고 결국, 운전면허증을 얻게 된다.

운전면허증을 통해 원하면 언제든지 운전을 할 수 있게 된다. 자동차 여행을 하면서 운전 실력은 더 나아지고 자신감도 부쩍 상승한다. 그러다가 다른 사람의 자동차를 운전하기도 하고, 마침내 새로운 자동차를 사게 된다.

다른 자동차 운전대 뒤에 있는 게 처음이었나? 운전대 뒤에 앉은 게 진짜 처음이었을까? 사실 우리는 예전에 이미 경험해본 적 있다. 승객으로써 말이다. 이번에는 운전석이다. 운전에 대한 모든 제어를 해야하는 그 좌석 말이다.

근데 두 번째 자차를 몰 때, 우리는 그냥 간단하게 키를 꽂고, 불을 켜고, 시동을 켜고 사이드 미러를 조절한다.

이 모든 건 편안하게 흘러간다. 하지만 처음과 비교해서 왜이렇게 쉬워졌을까?

왜냐하면 새로운 차는 예전 차와 굉장히 비슷하기 때문이다. 새로운 차 역시 이전 차와 마찬가지로 자동차가 가져야할 기본 기능을 가졌고, 비슷한 자리에 위치한다.

기존 차와 몇몇 기능은 다르게 실행되고, 몇몇 추가 기능을 가졌을 수도 있다. 하지만, 우리는 새 차를 처음 운전할 때 그 새로운 기능을 쓰지 않는다. 우리는 우연하게 그 기능들을 배운다. 우리가 신경 쓸만한 최소한의 것들만 말이다.

프로그래밍 언어를 배운다는 것도 사실 이것과 비슷하다. 처음이 힘들지 두 번째부터는 훨씬 쉬워진다.

두 번째 언어를 배울 때, 이런 질문을 한다. “모듈을 어떻게 만들지? 배열을 어떻게 찾지? substring 함수에서 매개변수는 어떤 거지?”

예전 언어에서 편하게 사용했던 메소드나 개념들이 떠오르기 때문에 우리는 새로운 언어를 쉽게 배울 수 있다고 확신한다.

첫 번째 우주선

일생 동안 한 차만 운전하든, 수 십대의 차를 운전하든 우주선 운전대에 앉아 있다고 상상해보자.

우주선이 날기 시작하면, 도로에서 했던 그 운전 실력이 이 상황에 도움이 될 거라고 기대할 수 없다. 처음부터 다시 시작해야 한다.

우주선 운전은 매우 다르고 기계 장치도 굉장히 다를 거라는 생각으로 연습을 시작할 것이다.

물리학적 법칙은 다르지 않다. 그냥 우주 안에서 항해하면 된다.

그리고 이건 함수형 프로그래밍을 배우는 거랑 똑같다. 아마도 몇몇은 매우 다를 거라고 생각할 수도 있다. And that much of what you know about programming will not translate.

일반적인 프로그래밍은 그냥 생각하면 되는 것이고, 함수형 프로그래밍은 기존과 다르게 생각하는 방법을 알려줄 것이다. 그렇기 때문에 당신은 아마도 예전 방식으로 절대 돌아가지 않을 것이다. (함수형 프로그램을 알게 된다면)

기존의 생각은 잊어라

사람들은 저 말을 좋아한다. 근데 어느 정도는 맞는 말이다. 함수형 프로그램을 배우는 건 처음부터 다시 배우는 거랑 비슷하다. 완전히 처음 배우는 건 아니다. 비슷한 개념들이 많다. 하지만 마치 모든 것을 새로 배우는 것으로 생각하는 게 제일 좋다.

올바른 관점을 가진다면 올바른 생각을 하게 될 것이고, 올바른 관점을 가진다면 개념이 어려워도 학습을 관두지 않을 것이다.

일반 프로그래밍할 때에는 사용했지만, 함수형 프로그래밍에는 사용할 수 없는 것들이 있다.

자동차를 운전할 때, 도로를 벗어나기 위해 보통 후진을 한다. 하지만 우주선에서는 후진이 없다. 아마도 이런 생각을 할 것이다. "후진이 없다니. 후진 없이 어떻게 운전을 할 수 있지?"

우주선에는 후진이 필요없는 것으로 판명됐다. 왜냐하면 우주선은 3차원 공간을 운전할 수 있기 때문이다. 이 개념을 이해하게 되면, 후전을 다시는 찾지 않게 될 것이다. 사실, 자동차에는 제한 조건이 오히려 더 많았다고 생각할 그런 날이 올 것이다.

함수형 프로그래밍을 배우는 것에는 많은 시간이 걸린다. 그래서 인내심이 필요하다.

그리므로 명령형 프로그래밍 시절을 벗어나서 함수형 프로그래밍의 장점으로 빠져보자.

오늘부터 보게 될 포스팅들은 함수형 언어를 처음 배우기 전에 도움이 될 만한 것들이다. 이미 함수형 언어에 대해 어느정도 알고 있다면, 이 내용은 사고를 정리하는 데 도움될 것이다.

급하게 서두르지 마라. 천천히 글을 보고 예제 코드를 천천히 이해하자. 어려운 섹션이 나오게 되면 아마도 더이상 읽고 싶지 않을지도 모른다. 그럴 때에는 나중에 다시 봐라.

가장 중요한 건 당신이 이해해야 한다는 것이다.

순수

함수형 프로그래밍의 순수성에 대해 이야기 할 때, 순수 함수가 언급된다.

순수 함수는 굉장히 단순한 함수다. 그저 매개변수에 따라 계산할 뿐이다.

아래는 자바스크립트의 순수 함수에 대한 예제다.

var z = 10;
function add(x, y) {
    return x + y;
}

add 함수는 z 변수를 수정하지 않는다는 것을 알아둬라. z 변수를 읽지 않고, 수정하지도 않는다. 그저 x와 y 매개변수를 읽고, 합계만 반환할 뿐이다.

이런 게 순수 함수다. 만약 add 함수가 z 변수에 접근한다면 더이상 순수 함수라고 볼 수 없다.

여기 또 다른 함수를 살펴보자.

function justTen() {
    return 10;
}

만약 justTen이라는 함수가 순수하다면, 오직 상수만 반환할 수 있다. 왜그럴까?

왜냐하면 이 함수에는 아무런 매개변수가 없기 때문이다. 그래서 매개변수 외에 다른 것에 접근할 수 없다. 이 함수가 반환할 수 있는 오직 한 가지는 상수일 뿐이다.

매개변수가 없는 순수 함수는 일을 안 하기 때문에 쓸모가 없다. 여기서는 그냥 10이라는 상수를 정의해서 사용하는 게 더 나을 것이다.

대부분의 유용한 순수 함수는 최소 한 개의 매개변수를 가진다.

이 함수를 살펴보자.

function addNoReturn(x, y) {
    var z = x + y
}

이 함수는 아무 것도 반환하지 않는다는 것을 알 수 있다. x와 y를 합쳐서 변수 z에 담지만, 아무것도 반환하지 않는다.

자체 매개변수로만 동작을 해야 순수 함수다. 이 함수는 매개변수를 합치기는 하지만, 아무런 결과도 반환하지 않기 때문에 쓸모가 없다.

유용한 모든 순수 함수는 반드시 무언가를 반환해야한다.

첫 번째 add 함수를 다시 살펴보자.

function add(x, y) {
    return x + y;
}
console.log(add(1, 2)); // prints 3
console.log(add(1, 2)); // still prints 3
console.log(add(1, 2)); // WILL ALWAYS print 3

add(1, 2)는 항상 3이라는 걸 알 수 있다. 이 함수는 순수하기 때문에 값이 바뀌지 않다는 거에 놀랄 필요가 없다. 만약 add 함수가 외부에 있는 변수를 사용했다면, 결과 값은 절대 예상할 수 없다.

순수 함수는 같은 입력 값을 넣었을 때 항상 같은 출력 값을 반환한다.

순수 함수는 외부 변수를 절대로 수정할 수 없기 때문에, 아래의 함수들은 모두 순수하지 않다.

writeFile(fileName);
updateDatabaseTable(sqlCmd);
sendAjaxRequest(ajaxRequest);
openSocket(ipAddress);

위의 모든 함수들은 부작용을 가졌다. 저 함수들을 호출하게 되면, 파일과 데이터베이스의 테이블이 바뀌게 되고, 데이터를 서버로 전송하거나 소켓을 얻기 위해 OS를 호출하게 된다. 위의 함수들은 입력 값을 실행하는 것 외에 다른 작업들을 더 한다. 그리고나서야 출력 값을 반환한다. 그러므로 이 함수들이 어떤 것을 반환할지 절대 예상 할 수 없다.

순수 함수는 부작용이 없다.

자바스크립트, 자바, 씨샵과 같은 명령형 프로그래밍 언어에서는 어디에서나 부작용이 존재한다. 이건 디버깅을 어렵게 한다. 왜냐하면 변수 값이 바뀔 수 있기 때문이다. 그래서 변수가 잘못된 값으로 바뀌어서 바뀌어서 버그가 발생할 때, 어디를 봐야할까? 소스 코드 모든 곳을 봐야할까? 그 방법은 썩 좋지 못하다.

이 시점에서 아마도 생각이 날 것이다. "대체 순수 함수로 어쩌라는거야?"

함수형 프로그래밍은 단순히 순수 함수를 작성하는 게 아니다.

함수형 프로그래밍은 부작용을 제거할 수 없다. 단지 그 부작용을 제어할 수 있을 뿐이다. 왜냐하면 프로그램은 실제 세계와 맞닿는 부분이 존재하기 때문에 몇몇 부분은 비 순수할 수 밖에 없다. 목표는 비 순수한 코드를 최소한으로 줄이는 것이고, 그것들을 순수 함수로부터 도려내서 별도 공간에 분리시키는 것이다.

불변성

아래 코드를 처음봤던 때를 기억하는가?

var x = 1;
x = x + 1;

그리고 수학 시간에 배웠던 것을 잊으라며 당신을 가르친 적 있는가? 수학에서 x는 x+1과 절대로 동일할 수 없다.

하지만 명령형 프로그래밍에서는 x라는 변수에 1을 더해서 그 결과 값을 x에서 저장한다는 것을 의미한다.

함수형 프로그래밍에서는 x = x + 1 가 불가능하다. 그렇기 때문에 수학 시간에 잊었던 것들을 다시 기억해야 한다.

함수형 프로그래밍에서는 변수가 없다.

저장된 값(stored value)은 여전히 변수로 불리어진다. 하지만 그것들은 상수다. 즉, x에 한 번 값이 할당되었다면 그 값으로 계속 유지된다.

걱정하지마라. x는 보통 지역변수이기 때문에 생명주기는 보통 짧다. 하지만 살아있는 동안에도 값은 변하지 않는다.

아래는 함수형 프로그래밍 언어인 Elm에서의 상수 변수에 대한 다른 예제다.

addOneToSum y z =
    let
        x = 1
    in
        x + y + z

아마 ML-Style의 구문과 친숙하지 않다면, 내가 설명해줄 수 있다. addOneToSum은 y와 z라는 2개의 매개변수를 받는 함수다.

let이 선언된 block 안에서 x는 1로 정의 되었다. 즉, 이 값은 계속 1과 동일할 것이다. 이것의 생명 주기는 함수 실행이 끝나면 종료될 것이다.

in이 선언된 block에서는 let block, viz에서 정의된 값들이 포함될 수 있다. x + y + z가 계산된 후의 결과는 반환된다.

다시 한 번 "대체 변수 없이 어떻게 하라는 거야" 라는 소리가 들린다.

우리가 변수를 수정하고 싶었던 당시를 생각해보자. 보통 2가지의 일반적인 경우가 있다. 다중 속성 수정(예: 객체나 레코드의 값 수정)와 단일 속성 수정(예: 반복문의 카운터)가 있다.

함수형 프로그래밍은 수정된 변수가 있는 레코드 복사본을 하나 더 만듦으로써 레코드 내 변수 수정을 가능하게 한다. 레코드의 모든 것을 복사할 필요가 없기 때문에 효율적이다.

함수형 프로그래밍은 "값을 복사"하는 위와 동일한 방법으로 단일 속성 수정도 해결한다.

반복문 없이 말이다.

"변수도 없는데 반복문까지 없다고?!"

잠시만. 그렇다고 해서 반복하는 행위 자체를 못하는 게 아니다. 단지 for, while, do, repeat과 같은 반복문 구조를 사용하지 않는 것이다.

함수형 프로그래밍은 반복을 하기 위해 재귀 함수를 사용한다.

자바스크립트에서는 반복을 하기 위해 2가지가 있다.

// simple loop construct
var acc = 0;
for (var i = 1; i <= 10; ++i)
    acc += i;
console.log(acc); // prints 55
// without loop construct or variables (recursion)
function sumRange(start, end, acc) {
    if (start > end)
        return acc;
    return sumRange(start + 1, end, acc + start)
}
console.log(sumRange(1, 10, 0)); // prints 55

재귀 함수가 어떻게 for loop와 동일한 값을 얻는지 보자. 새로운 start 값(start + 1)과 새로운 accumulator 값(acc + start)으로 자신을 호출한다. 이 방식은 기존 값을 수정하지 않는다. 대신에 기존 값으로 새로운 값을 계산해서 사용한다.

함수형 프로그래밍에 시간을 조금 투자해도 자바스크립트에서는 불행히도 재귀함수를 거의 찾아볼 수 없다. 거기에는 두 가지의 이유가 있다. 첫째로 자바스크립트의 구문은 다소 noisy하다. 둘째로 재귀함수로 개발할 생각을 해본 적이 없기 때문일지도 모른다.

Elm에서는 훨씬 가독성이 좋다. 그래서 이해하기에도 쉽다.

sumRange start end acc =
    if start > end then
        acc
    else
        sumRange (start + 1) end (acc + start) 

이렇게 실행된다.

sumRange 1 10 0 =      -- sumRange (1 + 1)  10 (0 + 1)
sumRange 2 10 1 =      -- sumRange (2 + 1)  10 (1 + 2)
sumRange 3 10 3 =      -- sumRange (3 + 1)  10 (3 + 3)
sumRange 4 10 6 =      -- sumRange (4 + 1)  10 (6 + 4)
sumRange 5 10 10 =     -- sumRange (5 + 1)  10 (10 + 5)
sumRange 6 10 15 =     -- sumRange (6 + 1)  10 (15 + 6)
sumRange 7 10 21 =     -- sumRange (7 + 1)  10 (21 + 7)
sumRange 8 10 28 =     -- sumRange (8 + 1)  10 (28 + 8)
sumRange 9 10 36 =     -- sumRange (9 + 1)  10 (36 + 9)
sumRange 10 10 45 =    -- sumRange (10 + 1) 10 (45 + 10)
sumRange 11 10 55 =    -- 11 > 10 => 55
55

아마도 for을 이용한 반복문이 훨씬 쉽다고 생각할 것이다. 논쟁의 여지가 있고, 친숙함에 대한 문제이기도 하지만, 비 재귀 함수 반복은 "변함(Mutability)"을 요구한다. 그렇기 때문에 좋지 않다.

여기에서는 불변의 장점에 대해 설명하지 않았지만, 이 글의 Global Mutable State section을 참고해라.

불변에 대한 한 가지 명확한 장점은 만약 프로그램 내 변수에 접근을 해야할 일이 있을 때, 읽기 권한만 가진다는 것이다. 무슨 말이냐면, 아무도 그 값을 수정할 수 없다는 뜻이다. 그렇기 때문에 실수로 값이 바뀔 일이 없다.

또한, 만약 프로그램이 멀티 쓰레드 기반이라면, 다른 쓰레드가 그 값을 수정할 수 없다. 그 값은 상수일 뿐이고, 만약 다른 쓰레드에서 그 값을 수정하려고 하면 기존 값으로부터 새로운 값을 만들어야 한다.

90년대 중반에 나는 Creature Crunch라는 게임 엔진을 개발했었다. 그리고 거기에는 멀티 쓰레드 때문에 발생하는 엄청난 버그가 있었다. 그때 당시 불변에 대해 알았더라면 그 실수를 하지 않았을 것이다. 하지만 그때의 나는 시디롬의 속도가 게임의 속도에 어떤 영향을 미치는지에 대해서 엄청 고민하고 있었다.

불변성은 코드를 간단하게 만들어주고 안전하게 해준다.

아이고 머리야

오늘은 이걸로 충분하다.

다음 문서부터는 고차 함수, Functional Composition, 커링 등에 대해서 다뤄 볼 것이다.