Java의 함수형 인터페이스와 람다에 대해 알아보자

함수형 프로그래밍이란?

함수형 프로그래밍(Functional Programming, FP)은 컴퓨터 프로그래밍의 패러다임 중 하나로, 함수의 평가를 프로그래밍의 주요 방법으로 사용하는 접근 방식을 가르킵니다. 이는 수학적 함수의 개념을 프로그래밍에 적용하여 부작용(Side Effects)을 최소화하고 높은 수준의 추상화를 제공합니다.

함수형 프로그래밍의 주요 특징은 다음과 같습니다

불변성(Immutability): 함수형 프로그래밍에서는 데이터가 한 번 생성된 후에는 그 상태가 변하지 않습니다. 이는 복잡성을 줄이고 버그를 예방하는 데 도움이 됩니다.
순수 함수(Pure Functions): 순수 함수는 같은 입력이 주어지면 항상 같은 출력을 반환하며, 프로그램의 상태를 변경하거나 부작용을 유발하지 않습니다.
고차 함수(Higher-order Functions): 함수형 프로그래밍에서는 함수를 다른 함수의 인수로 전달하거나, 함수에서 함수를 반환할 수 있습니다.
재귀(Recursion): 함수형 프로그래밍 언어는 상태 변경을 피하려고 루프(Loop) 사용을 최소화하고, 대신 재귀를 사용하여 반복적인 작업을 수행합니다.
형식 추론(Type Inference): 많은 함수형 프로그래밍 언어는 형식을 명시적으로 선언하지 않아도 프로그램의 형식을 추론할 수 있습니다.

함수형 프로그래밍은 복잡성을 관리하고, 가독성과 유지 보수성을 향상시키며, 동시성과 병렬성을 처리하기 위한 효율적인 도구로 간주됩니다.

그러나 이러한 이점을 최대화하려면 함수형 프로그래밍의 원칙과 패턴을 정확히 이해하고 적용해야 합니다.

자바 함수형 인터페이스

함수형 인터페이스란?

함수형 인터페이스는 자바에서 함수형 프로그래밍을 지원하기 위해 도입된 개념입니다. 자바는 원래 객체 지향 프로그래밍(OOP) 언어로, 모든 동작은 객체와 그 객체의 메서드로 이루어진다는 기본 원칙을 따르고 있습니다. 하지만 Java 8부터 함수형 프로그래밍의 개념이 도입되면서 “함수형 인터페이스(Functional Interface)”라는 개념이 등장하였습니다.

자바의 함수형 인터페이스는 함수형 프로그래밍의 기반을 제공하며, 함수형 프로그래밍의 원칙과 개념을 자바로 구현할 수 있도록 도와줍니다. 이를 통해 자바 개발자들도 함수형 프로그래밍의 이점을 활용하여 좀 더 유연하고 효율적인 코드를 작성할 수 있게 되었습니다.

함수형 인터페이스의 이해

함수형 인터페이스는 ‘정확히 하나의 추상 메서드를 가진 인터페이스’를 의미합니다. 물론, default 메서드나 static 메서드는 여러 개 있을 수 있습니다.
이러한 함수형 인터페이스는 람다 표현식을 위한 타입으로 사용되며, 이를 통해 메서드를 직접 참조하거나 전달할 수 있게 됩니다.
함수형 인터페이스는 @FunctionalInterface 어노테이션으로 명시할 수 있습니다.
- 이 어노테이션은 인터페이스가 함수형 인터페이스의 규칙을 따르는지 컴파일러에게 확인하도록 요청하는 역할을 합니다.

  
//구현해야 할 메소드가 한개이므로 Functional Interface이다.
@FunctionalInterface
public interface Math {
  public int Calc(int first, int second);
}

//구현해야 할 메소드가 두개이므로 Functional Interface가 아니다. (오류 사항)
@FunctionalInterface
public interface Math {
  public int Calc(int first, int second);
  public int Calc2(int first, int second);
}

함수형 인터페이스의 예

자바는 여러 가지 내장 함수형 인터페이스를 제공하고 있습니다. java.util.function 패키지에서 이들을 확인할 수 있습니다.

이 중 몇 가지를 살펴보면 다음과 같습니다

각 함수형 인터페이스는 추상 메서드 외에도 여러 default 메서드나 static 메서드를 제공하고 있습니다. 이를 통해 복잡한 연산도 간결하게 표현할 수 있습니다.

자바에서의 람다

람다 표현식(Lambda expression)은 익명 함수(이름이 없는 함수)를 정의하는 방법입니다. 람다는 프로그램 코드에서 한 번이나 두 번 사용되고 버려질 수 있는 작은 코드 조각을 간단하게 표현하기 위해 주로 사용됩니다.

람다 표현식은 Java 8에서 처음 도입된 기능으로, 간결하게 함수를 표현하는 방법입니다. 함수형 인터페이스와 결합하여 사용되며, 이를 통해 더욱 간결하고 직관적인 코드 작성이 가능합니다.

람다 표현식의 기본 구조는 다음과 같습니다

  
(parameter) -> { body }

parameters: 함수가 받는 인자들의 목록입니다. 이 부분은 함수가 인자를 받지 않는 경우 생략될 수 있습니다.
->: 람다 표현식의 인자 목록과 본문을 분리하는 토큰입니다.
body: 함수의 본문으로, 실행될 코드 블록을 의미합니다.

람다와 함수형 인터페이스의 연관성

람다 표현식은 함수형 인터페이스의 인스턴스를 생성하는 방법 중 하나입니다. 따라서, 함수형 인터페이스의 유일한 추상 메서드와 람다 표현식이 실행할 코드 사이에는 일대일 대응 관계가 있습니다.

예를 들어, 다음과 같은 함수형 인터페이스가 있다고 가정해봅시다.

  
@FunctionalInterface
public interface SimpleFunctionalInterface {
    void doWork();
}

이 함수형 인터페이스의 인스턴스를 람다 표현식을 사용하여 생성할 수 있습니다.

  
SimpleFunctionalInterface sfi = () -> System.out.println("Doing work...");

이렇게 람다 표현식을 사용하면, 구현해야 하는 메서드의 시그니처를 이미 알고 있는 함수형 인터페이스에 대해 훨씬 간결하게 코드를 작성할 수 있습니다.

람다의 표현식

매개변수 화살표 -> 함수몸체로 이용하여 사용할 수 있다
매개변수가 하나일 경우 매개변수 생략 가능하다
함수몸체가 단일 실행문이면 괄호 {}생략 가능하다
함수몸체가 return문으로만 구성되어있는 경우 괄호 {} 생략 가능하다

람다의 표현식 예시

() -> {}: 아무런 파라미터를 받지 않고 아무런 동작도 하지 않는 람다 표현식입니다.
() -> 1: 아무런 파라미터를 받지 않고 항상 1을 반환하는 람다 표현식입니다.
() -> { return 1; }: 위와 동일하지만 명시적으로 return 키워드를 사용하고 있습니다.
(int x) -> x+1: 정수 x를 입력으로 받아 x+1을 반환하는 람다 표현식입니다.
(x) -> x+1, x -> x+1: 위와 동일하지만 타입을 명시하지 않았습니다. 자바의 타입 추론 기능 덕분에 가능합니다.
(int x) -> { return x+1; }, x -> { return x+1; }: 위와 동일하지만 중괄호와 return 키워드를 사용하고 있습니다.
(int x, int y) -> x+y, (x, y) -> x+y, (x, y) -> { return x+y; }: 두 개의 정수를 입력으로 받아 두 수의 합을 반환하는 람다 표현식입니다.
(String lam) -> lam.length(), lam -> lam.length(): 문자열을 입력으로 받아 문자열의 길이를 반환하는 람다 표현식입니다.
(Thread lamT) -> { lamT.start(); }, lamT -> { lamT.start(); }: Thread 객체를 입력으로 받아 스레드를 시작하는 람다 표현식입니다.

잘못된 람다의 표현식 (x, int y) -> x+y : 람다 표현식에서는 모든 파라미터의 타입을 명시하거나, 모든 파라미터의 타입을 생략해야 합니다. (x, final y) -> x+y : 람다 파라미터는 기본적으로 final이므로 final 키워드를 사용할 수 없습니다.

람다의 특징

익명 함수: 람다식은 익명 함수로써 이름이 없고, 함수 자체가 값으로 취급됩니다. 이를 통해 필요한 곳에서 즉석으로 함수를 정의하고 사용할 수 있습니다.
함수형 인터페이스와 함께 사용: 람다식은 주로 함수형 인터페이스를 구현하기 위해 사용됩니다. 함수형 인터페이스는 하나의 추상 메서드를 가진 인터페이스로, 람다식을 통해 해당 추상 메서드를 구현할 수 있습니다.
클로저: 람다식은 클로저(closure) 개념을 지원합니다. 클로저는 함수 내부에서 외부 변수에 접근할 수 있는 개념으로, 람다식을 포함하는 범위 내의 변수에 접근할 수 있습니다. 이를 통해 함수 내에서 외부 변수를 사용하면서 불변성과 상태 변경을 조절할 수 있습니다.

람다의 장단점

장점

간결성과 가독성: 람다식은 코드의 길이를 줄여주고 가독성을 향상시켜 줍니다. 필요한 내용에 집중할 수 있으며, 불필요한 부분을 제거하여 코드를 간결하게 작성할 수 있습니다.
함수형 프로그래밍 지원: 람다식은 함수형 프로그래밍 패러다임을 지원합니다. 함수를 값으로 다루는 것이 가능하며, 불변성과 순수성을 강조하는 함수형 프로그래밍의 특징을 구현할 수 있습니다.
유연한 사용: 람다식을 변수에 할당하거나 매개변수로 전달하는 등의 유연한 사용이 가능합니다. 이를 통해 코드의 재사용성과 확장성을 높일 수 있습니다.
병렬 처리와 비동기 프로그래밍: 람다식은 병렬 처리와 비동기 프로그래밍에 유용하게 사용될 수 있습니다. 병렬 스트림, CompletableFuture 등과 함께 사용하여 병렬 처리 작업을 간편하게 구현할 수 있습니다.

단점

학습 곡선: 람다식의 문법과 개념은 초기에는 생소할 수 있습니다. 함수형 프로그래밍 패러다임에 익숙하지 않은 개발자들은 학습 곡선을 거쳐야 할 수 있습니다.
제약사항: 람다식은 함수형 인터페이스에만 사용될 수 있습니다. 따라서, 이미 정의된 인터페이스에 람다식을 사용하기 위해서는 해당 인터페이스가 함수형 인터페이스여야 합니다.
디버깅의 어려움: 람다식은 익명 함수로서 이름이 없기 때문에 디버깅 시점에서 추적이 어려울 수 있습니다. 따라서, 디버깅에 어려움을 겪을 수 있습니다.
성능 오버헤드: 람다식을 사용하면 메모리 사용과 실행 시간 측면에서 약간의 오버헤드가 발생할 수 있습니다. 하지만 대부분의 상황에서는 미미한 차이로 인해 실제로는 큰 문제가 되지 않습니다.