Kotlin - 고차함수

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Kotlin - 고차함수

엔꾸꾸 2020. 11. 29. 21:10

고차함수 란 ?

고참함수는 다른 함수를 인자로 받거나 함수를 반환하는 함수이다.

코틀린에서는 람다나 함수 참조를 사용해 함수를 값으로 표현할 수 있다.

함수 타입

코틀린에서 함수 타입을 정의하려면, 함수 파라미터의 타입을 괄호 안에 넣고, 그 뒤에 화살표를 추가 한 뒤 함수 반환 타입을 지정하면 된다.

- (Int, String) -> Unit

반환 타입이 널이거나, 함수 타입 전체가 널일 수 있는 변수를 선언할 때는 주의해야 한다.

- (Int, Int) -> Int? : 반환 타입이 널

- ((Int, Int) -> Int?)? : 함수 타입 전체가 널

파라미터 이름과 함수 타입

함수 타입에서 파라미터 명을 지정할 수 있다.

강제적인 것은 아니며, 호출하는 쪽에서 원하는 파라미터 명으로 변경하여 사용할 수 있다.

fun performRequest(
        url: String,
        callback: (code: Int, content: String) -> Unit
) {
    /* .. */
}

fun main() {
    val url = "http://www.naver.com"
    performRequest(url) { code, content -> /*..*/ } // api 에서 정의한 파라미터 명을 사용
    performRequest(url) { code, page -> /*..*/ } // 원하는 이름으로 변경해서 사용 가능
}

인자로 받은 함수 호출

`operation 함수를 인자로 받아 해당 함수를 실행하는 간단한 예제`

fun twoAndThree(operation: (Int, Int) -> Int) {
    val result = operation(2, 3)
    println("The Result is $result")
}

fun main() {
    twoAndThree { a, b -> a + b}
    twoAndThree { a, b -> a * b}
}

`filter 함수 선언 `

fun String.filter(predicate: (Char) -> Boolean) : String

표준 라이브러리인 filter 함수는 고차 함수를 사용하는 예 중 하나이다.

filter 함수는 술어를 파라미터로 받으며, 해당 파라미터를 문자를 인자로 받아 Boolean 을 반환한다.

자바에서 코틀린 함수 타입 사용

코틀린 함수 타입은 컴파일 되면 일반 인터페이스로 변경 된다.

함수 타입의 변수는 FunctionN 인터페이스 구현체의 인스턴스를 저장한다.

코틀린 표준 라이브러리는 함수 인자의 개수에 따라 Function0()<R>, Function1()<P1, R> 등의 인터페이스를 제공한다.

해당 인터페이스는 invoke 메소드 하나만 정의되어 있다.

함수 타입을 사용하는 코틀린 함수를 자바에서도 쉽게 호출할 수 있으며, 자바8의 람다를 넘기면 함수 타입이 값으로 변경된다.

코틀린 표준 라이브러리의 확장함수도 자바에서 호출이 가능하지만, 깔끔한 호출은 되지 않는다.

Unit 타입의 반환을 명시적으로 해주어야 하며, 자바의 void 와 대응하지 않는다.

`Java 에서 코틀린 표준라이브러리의 확장함수 호출`

List<String> strings = new ArrayList<>();
CollectionsKt.forEach(strings, s -> {
    /* .. */
    return Unit.INSTANCE;
})

디폴트 값을 지정한 함수 타입 파라미터와 널이 될 수 있는 함수 타입 파라미터

함수 타입을 파라미터로 선언한 경우에도 디폴트값 지정이 가능하다.

`Function Parameter With DefaultValue`

fun <T> Collection<T>.joinToString(
        transform: (T) -> String = { it.toString() }
) : String {
    /* .. */
    val result = StringBuilder()
    for ((index, element) in this.withIndex()) {
        if (index > 0) result.append(element)
        result.append(transform(element))
    }
    return result.toString()
}

함수 타입이 Nullable 하다면, 다른 변수들과 마찬가지로 안전한 호출이 가능하다.

`Nullable Function Parameter With Safety Call`

fun <T> Collection<T>.joinToStringWithNullableFunction(
        transform: ((T) -> String)? = null
) : String {
    /* .. */
    val result = StringBuilder()
    for ((index, element) in this.withIndex()) {
        if (index > 0) result.append(element)
        result.append(
                transform?.invoke(element) ?: element.toString()
        )
    }
    return result.toString()
}

함수에서 함수 반환

함수 내에서 함수를 반환하는 경우는 적지만, 매우 유용하다.

특정 조건에 따라 달라질 수 있는 로직을 함수를 반환하는 함수를 정의하여, 해당 함수를 호출하는 구조를 가짐으로써 깔금한 코드 스타일로 가져갈 수 있다.

enum class Delivery { STANDARD, EXPEDITED }

class Order(val itemCount: Int)

fun getShippingCostCaculator(
        delivery: Delivery
) : (Order) -> Double {

    if (delivery == Delivery.EXPEDITED) {
        return { order -> 6 + 2.1 * order.itemCount }
    }
    return { order -> 61.2 * order.itemCount }
}

fun main() {
    val calculator = getShippingCostCaculator(Delivery.EXPEDITED)
    println("Shipping costs ${calculator(Order(3))}")
}

람다를 활용한 중복 제거

함수 타입과 람다식은 재활용하기 좋은 코드를 만들기 유용하다.

다음 예제는 웹사이트 방문 기록을 분석하는 예제 코드이다.

data class SiteVisit(
    val path: String,
    val duration: Double,
    val os: OS
)

enum class OS { WINDOWS, LINUX, MAC, IOS, ANDROID }

val log = listOf(
    SiteVisit("/", 34.0, OS.WINDOWS),
    SiteVisit("/", 22.0, OS.MAC),
    SiteVisit("/login", 12.0, OS.WINDOWS),
    SiteVisit("/singup", 8.0, OS.IOS),
    SiteVisit("/", 16.3, OS.ANDROID)
)

/**
 * 사이트 방문 데이터 분석 V1
 * 컬렉션 api 를 이용한 보편적인 방법
 */
fun processV1() {
    val average = log
            .filter { it.os == OS.WINDOWS }
            .map(SiteVisit::duration)
            .average()
    println(average)
}

/**
 * 사이트 방문 데이터 분석 V2
 * 확장 함수를 이용해 중복을 제거
 */
fun processV2() {
    fun List<SiteVisit>.averageDurationFor(os: OS) =
            filter { it.os == os }.map(SiteVisit::duration).average()

    println(log.averageDurationFor(OS.WINDOWS))
    println(log.averageDurationFor(OS.MAC))
}

/**
 * 사이트 방문 데이터 분석 V3
 * 고차 함수를 이용한 중복 제거
 * 중복 제거뿐이 아닌 필터 조건이 변경되어도 대응이 가능하다
 */
fun processV3() {
    fun List<SiteVisit>.averageDurationFor(predicate: (SiteVisit) -> Boolean) =
            filter(predicate).map(SiteVisit::duration).average()

    println(log.averageDurationFor { it.os == OS.WINDOWS })
    println(log.averageDurationFor { it.os == OS.MAC })
    println(log.averageDurationFor { it.os in setOf(OS.ANDROID, OS.IOS) })
    println(log.averageDurationFor { it.os == OS.IOS && it.path == "/signup" })
}

코드 중복을 제거할 때 함수 타입은 매우 유용한 도구이다.
코드의 일부분을 복사해 붙여 넣고 싶은 경우가 있다면, 해당 코드를 람다로 만들어 중복을 제거할 수 있다.
이전에도 언급 했던 이야기이지만, 람다를 코드 조각 이라고 생각하라.

인라인 함수 - 람다의 부가 비용 제거

코틀린은 보통 람다를 무명 클래스로 컴파일 한다.

하지만 람다 식을 사용할 때 매번 새로운 클래스가 생성되지는 않는다.

람다가 변수를 포획하는 경우에만 새로운 무명 클래스 객체가 생성된다.

하지만 변수를 포획하는 경우에도 매번 객체 생성은 낭비가 될 수 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 코틀린에서는 inline 함수 라는 기능을 제공한다.

인라이닝이 동작하는 방식

함수를 Inline 으로 선언하면, 해당 함수의 본문이 인라이닝 된다.

이는 함수를 호출하는 코드 대신, 해당 함수의 본문을 변역한 바이트 코드로 컴파일 된다.

inline 이라는 키워드에 주목하라.

`Synchronized 를 인라인 함수로 구현한 예제`

inline fun <T> synchronized(lock: Lock, action: () -> T): T {
    lock.lock()
    try {
        return action()
    } finally {
        lock.unlock()
    }
}

fun main() {
    val l = Lock()
    synchronized(l) {
        /* .. */
    }
}

인라인 된 함수 뿐이 아닌, 전달된 람다의 본문도 함께 인라이닝 됨을 기억하라.

`전달된 람다가 인라인 되지 않는 경우`

class LockOwner(val lock: Lock) {
    fun runUnderLock(body: () -> Unit) {
        synchronized(lock, body)
    }
}

위와 같은 경우에는 람다를 변수로 전달받기 때문에 컴파일 시점에 어떤 코드인지 알 방법이 없다. 때문에 인라인 대상에서 제외된다.

인라인 함수의 한계

안리이닝 하는 방식으로 람다를 사용하는 모든 함수를 인라이닝 할 수 없다.

파라미터로 받은 람다를 다른 변수에 저장하고, 해당 변수를 나중에 사용한다면 람다를 인라이닝 할 수 없다.

`둘 이상의 람다를 인자로 받는 함수에서 일부만 인라이닝 하는 예제`

inline fun foo(inlined: () -> Unit, noinline notInlined: () -> Unit) {

}

컬렉션 연산 인라이닝

코틀린 표준 라이브러리의 컬렉션 함수는 대부분 람다를 인자로 받는다.

인라인 함수이기 때문에 해당 함수의 바이트 코드는 인자로 전달받은 람다와 본문과 함께 인라이닝 된다.

컬렉션 함수를 연쇄해서 사용하면 어떻게 될까 ?

val people = listOf(Person("ncucu", 10), Person("ncucu2", 11))
people.filter { it. age > 10 }.map(Person::name)

filter 와 map 은 인라인 함수이기 때문에 두 함수의 본문은 인라이닝 된다.

위 코드는 리스트를 걸러낸 결과를 저장하는 중간 리스트를 만든다.

만약 asSequence() 를 사용해 중간 리스트를 사용하지 않고, 연쇄적으로 사용하게 된다면, 중간 리스트로 인한 부가비용은 줄어든다.

하지만 시퀀스는 람다를 저장해야하기 때문에 람다를 인라이닝 하지 않는다.

중간 리스트를 없앰으로써 성능을 향상 시킬 목적으로 asSequence 를 사용하는 것은 오히려 성능 저하를 일으킬 수 있다.

함수를 인라인으로 선언해야 하는 경우

inline 함수는 람다를 인자로 받는 함수만 성능이 좋아질 가능성이 높다.

일반적인 함수 호출의 경우 JVM 에서 이미 강력한 인라이닝을 지원한다.

inline 함수의 크기는 매우 작아야한다. 만약 인라인 함수의 크기가 크다면 그만큼 바이트코드도 커질 것이다.

자원 관리를 위해 인라인된 람다 사용하기

람다로 중복을 제거하는 대표적인 패턴 중 하나는 어떤 작업 전 자원을 획득하고, 작업을 마친 뒤 자원하는 회수는 하는 것과 같이 반복적인 부분에 대해 적용하는 것이다.

try with resource 와 같은 패턴은 코틀린에서는 언어적인 차원에서 제공하는것이 아닌 함수로 제공한다.

fun readFirstLineFromFile(path: String): String =
    BufferedReader(FileReader(path)).use { it.readLine() }

use 함수는 closeable 자원에 대한 확장 함수이며, 람다를 인자로 받는다.

람다 내의 return - 람다를 둘러싼 함수 반환

인라인된 람다 내에서의 return 은 넌로컬 return 이다.

이는 함수가 인라이닝 될 때 어떻게 동작하는지를 생각해본다면 매우 당연한 일이다.

data class Person(val name: String, val age: Int)

/**
 * 인라인된 람다 내에서의 return 은 넌로컬 return이다.
 * 이는 람다가 아닌 람다를 감싸고 있는 함수르 return 시킨다.
 * 인라인 된 코드가 어떻게 동작하는지 생각해본다면 당연한 것이다.
 */
fun lookForAlice(people: List<Person>) {
    people.forEach {
        if (it.name == "Alice") {
            println("Find Alice")
            return
        }
    }
    println("Not Found")
}

람다 내의 return - 레이블을 사용한 return

람다식 내에서도 로컬 return 을 사용할 수 있다.

람다 내의 로컬 return 은 for 루프의 break 와 비슷한 역할을 수행한다.

로컬과 넌로컬 return 을 구분하기 위해 레이블을 사용해야 한다.

return 을 사용해서 실행을 끝내고 싶은 람다식 앞에 레이블을 붙이고, return 키워드 뒤에 해당 레이블을 추가해야 한다.

fun main() {
    val strings = listOf("A", "B", "C")
    strings.forEach label@{
        if (it == "C") return@label
        println("hello")
    }
    println("ddd")
}

레이블 뿐 아니라 인라인 함수의 이름을 return 뒤에 레이블로 사용해도 동일하게 동작한다. 또한 람다식에는 레이블이 2개이상 붙을 수 없다.

무명함수 - 기본적으로 논로컬 return

넌 로컬 반환문은 장황하며, 람다 안의 여러 위치에 return 식이 들어갈 경우 사용하기 불편하다.

무명함수를 사용하면 넌로컬 반환만울 사용해야 하는 경우 코드 블록을 쉽게 작성할 수 있다.

fun main() {
    val strings = listOf("A", "B", "C")
    strings.forEach(fun (str) {
        if (str == "C") return
        println(str)
    })
}

return 의 규칙은 fun 키워드를 통해 정의된 가장 안쪽 함수를 반환한다는 점을 기억하라.
무명 함수 또한 람다식의 구현 방법, 람다 식을 인아인 함수에 넘길 때 인라인이 되는 규칙 등을 모두 적용할 수 있다.

정리

- 함수 타입을 사용해 함수에 대한 참조를 담는 변수, 파라미터, 반환 값을 만들 수 있다.
- 고차 함수는 다른 함수를 인자로 받거나, 함수를 반환한다.
- 인라인 함수를 컴파일 하면 해당 함수의 본문과 함수에 전달된 람다의 본문까지 인라이닝 된다.
- 고차 함수를 사용하면 각 코드의 재사용성을 높혀준다.
- 인라인 함수 내에서 넌 로컬 return 을 사용할 수 있고, 로컬 return 기능또한 제공한다.
- 람다 대식 무명함수를 사용할 수 있으며, 로컬 return 이 많다면, 무명함수를 사용하라.