[C++] 함수형 프로그래밍(feat. lambda function)

함수형 프로그래밍?

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함수형 프로그래밍 도입

• C++은 Object Oriented Programming(OOP) 패러다임이 중심이 언어이며, High performance가 필요한 곳에서 사용하고 있습니다. 그리고 이렇게 High performance가 필요할 경우 늘 cache hit을 쳐줘야 합니다.
• 이를 위해서는 Data oriented programming 스타일이 자연스럽게 C++스타일에 들어오게 됩니다.
• 이후 C++11부터 함수형 프로그래밍을 지원하기 위해 lambda expression을 도입.

그래서 간단히 함수형 프로그래밍이란?

• 함수를 object/variable 처럼 다루는 개념.
• 이를 활용하면? 다양하게 응용할 수 있습니다.

First-Class Object

C++0x에서는 람다 함수(Lambda Function)를 First-Class Object로 제공함으로써 코드 조각을 일반 변수처럼 사용할 수 있게 해줍니다.

• 변수와 자료구조에 저장하고 사용할 수 있다.
• 함수의 입력 값으로 사용할 수 있다.
• 함수의 반환 값으로 사용할 수 있다.
• 실행 시간에 생성할 수 있다.

Higher Order Function(HOF): 고차함수

• 하나 이상의 함수를 인자로 받습니다.
• 함수를 결과로 반환합니다.
  • 위 둘 중 하나를 만족하는 경우를 HOF라 합니다.

Closure Function

• 함수로 함수를 반환하는 경우? 자바스크립트에서 주로 사용됩니다.
• 이는 함수를 호출한 상위 코드 블록의 변수들이 호출된 함수와 묶인 것을 뜻합니다.

function plus (a) {
    let localVar = a;
    return function (x) {
        return localVar + x;
    }
}
let plus3 = plus(3);
plus3(10)
// 출력: 13

#include <iostream>

class Plus {
public:
    explicit Plus(int a): localVar{a}{}
    int operator()(int a) const {
        return localVar + x;
    }
private:
    int localVar;
};

int main(){
    Plus plus3{3}
    Plus plus5{5}
    
    std::cout << plus3(10) << "\n";
    std::cout << plus5(10) << "\n";
}

+ Callback Function

• 다른 함수에게 argument로 넘겨줄 수 있습니다.
• 함수의 결과값으로 인해 주로 비동기 처리할때 사용하며, 
• 추가로, 매개변수를 통해 다른 함수의 내부로 전달되는 함수를 콜백 함수라고 하며 매개변수를 통해 콜백 함수를 전달받는 함수를 고차함수 라고 한다

lambda expression

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Common lambda expression

[captures](params){ body }

auto lambdaPlus3 = [localVar = 3](int x){ return localVar + x; }

capture []

• capture by value: 함수 객체의 멤버 변수와 같은 역할 (deep copy)
  • auto lambda = [localVar](int x) { return x + localVar}
  • auto lambda = [=](int x) { return x + localVar}
    • 위 두 식은 동일한 내용이며, [=]의 경우 람다 내부의 변수를 외부에서 capture by value로 받아와 넣어줍니다.
• capture by reference: 함수 객체의 참조 멤버 변수와 같은 역할 (shallow copy)
  • auto lambda = [&localVar](int x) { return x + localVar}
  • auto lambda = [&](int x) { return x + localVar}
    • 위 두 식은 동일한 내용이며, [&]의 경우 람다 내부의 변수를 외부에서 capture by reference로 받아와 넣어줍니다.
• capture by this 
  • auto lambda = [this](int x) { return x + this->localVar}
    • 멤버 함수 및 멤버 변수에 대한 액세스를 제공하기 위해 포인터를 명시적 또는 암시적으로 캡처합니다.
• 추가로 capture([])에 값을 넣어주지 않을 경우, 함수 외부에서 변수를 받아오지 않습니다.
  • auto lambda = [](int x) { return x + localVar}

lambda function의 활용

• 지연 호출(Deferred Call)에 활용
  • vector와 같은 자료구조에 저장한 후에 필요한 특정 시점에 호출하는데 사용합니다.
• 비동기 호출과 결과 코드의 응집성을 높이는 데 활용
  • 비동기 처리 코드의 문제점은 비동기 요청 함수를 호출하는 곳과 결과를 처리하는 함수가 동떨어져 있어 로직 흐름을 파악하기 어렵다는 것입니다.
  • 비동기 요청 함수를 호출할 때 결과 처리에 대한 코드를 람다 함수로 구현해 파라미터로 전달하면 코드 응집성이 높아질 수 있습니다.
• 일회성 함수를 쉽게 구현하기 위해 활용
  • 특히 STL을 이용하는 데 유용합니다.
  • *STL 알고리즘 함수들의 입력 파라미터로 람다 함수를 넘겨주면 따로 함수 객체를 정의하는 번거로움이 사라지고 코드 응집성이 높아지므로 STL 함수의 작동을 더 쉽게 이해할 수 있습니다.
    • STL 알고리즘: #include <algorithms>
    • STL 알고리즘 함수: for_each, sort...
• 템플릿을 대체하는 데 활용
  • 람다 함수의 캡처 기능을 사용하면 람다 함수 몸체에서 외부 변수들을 마음껏 사용할 수 있을 뿐만 아니라 클로저(Closure)가 되어 함께 묶입니다.
  • 이 기능을 활용하면 기존에 파라미터 타입과 개수 처리를 일반화하기 위해 사용하던 템플릿 사용을 지양할 수 있습니다. 
    • 템플릿 클레스를 사용하면?
      • 함수의 파라미터가 늘어날 때마다 템플릿 클래스를 추가해 줘야하고,
      • 코드가 직관적이지 않다는 점입니다.

참고

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• [코드없는 프로그래밍] 함수형 프로그래밍: https://www.youtube.com/watch?v=eqepcz8tIak&list=PLDV-cCQnUlIa9cy9one-i9foU8DwErnSp&index=2
• [microsoft] Lambda Expression in C++ (en): https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/lambda-expressions-in-cpp?view=msvc-170
• [microsoft] Lambda Expression in C++ (ko): https://docs.microsoft.com/ko-kr/cpp/cpp/lambda-expressions-in-cpp?view=msvc-170
• [다음 블로그] 람다(lambda) 이야기: https://blog.daum.net/creazier/15309703 

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