[모던 C++로 배우는 함수형 프로그래밍] 읽기

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모던 C++로 배우는 함수형 프로그래밍 책을 읽고, 읽은 내용을 정리해봅니다.

이론 설명도 부족하면서 실제 사례도 부족하여, 입문서로서 썩 만족스러운 책이 아니었고, 다른 이에게 권하고 싶은 책은 아니었습니다.

01장. 모던 C++와 친숙해지기

  • auto 키워드, C++14 이후로는 trailiing return type 으로 auto 지원.
  • typeid(a).name() 로 타입 이름을 얻을 수 있음. RTTI가 필요하며, gcc는 기본적으로 RTTI가 켜져 있음.
  • decltype 키워드.
    • decltype(x->d)는 x 인스턴스의 멤버 변수 d의 타입인 double을 나타낸다. decltype((x->d))는 표현식을 나타내며, 표현식의 주소값을 얻을 수 있는 lvalue이므로 표현식의 주소 타입인 const double&이 된다.
  • nullptr은 기존의 NULL정의 같은 용법에서의 매개변수 호출 시의 모호함을 없애준다.
  • std::begin()과 std::end(), ranged for
  • C++11에서 새로 추가된 std::array. 일반 배열과 성능차이는 없으면서 크기도 알 수 있고, 반복자 이용도 가능하며, 친숙한 값 의미론(value semantics)을 사용한다.
    • 요소에 접근 시 컨테이너 범위를 벗어나면 []연산자는 UB(undefined behavior)를 유발하나, at()은 out_of_range 예외를 던지므로, at()을 쓰는 것이 더 낫다.
  • std::find_if, std::find_if_not, std::for_each
  • 헤더파일에는 using namespace 를 쓰지 않는 것이 좋다.
  • 람다 표현식 [](){}. 반환타입도 []()->return_type {}처럼 명시 가능.
    • mutable 키워드는 캡처 방식(참조 캡처 or 값 캡처)과 무관하게, 캡처한 변수를 수정할 수 있게 해준다.
    • 초기화 캡처: 예 [&x = a]() { x += 2; }
    • 제네릭 람다: 예 [](auto& x, auto& y) {}
    • C++17에서는 *this를 사용해 객체의 복사본을 캡처할 수 있다. 람다 표현식 constexpr 객체를 컴파일 타임에 생성할 수 있다.
  • std::unique_ptr. 독점 소유권. std::make_unique()로 생성. 복사 생성자/할당자가 없고 이동 생성자/할당자 제공.
  • std::shared_ptr. 공유 소유권. use_count()로 참조횟수를 알 수 있음. unique()로 참조 횟수가 1인지 알 수 있음. std::make_shared()로 생성.
  • std::weak_ptr. std::shared_ptr (강한 참조 횟수) <-> std::weak_ptr (약한 참조 횟수). expired()로 참조하는 객체가 만료되었는지 확인. lock()으로 새로운 shared_ptr 생성.
  • std::tuple. std::tie()는 튜플에서 개별 값을 읽어들이거나 lvalue를 참조하는 튜플을 생성할 때 사용하며, 필요하지 않은 요소는 ignore로 제외할 수 있다.

02장. 함수형 프로그래밍에서 함수 다루기

  • 일급함수를 지원하는 언어는, 다음을 할 수 있다.
    • 다른 함수의 매개변수로 함수 전달
    • 변수에 함수 대입
    • 컨테이너에 함수 저장
    • 런타임에 새로운 함수 생성
  • std::function<>은 호출 가능한 함수, 람다 표현식, 다른 함수 객체, 멤버 함수에 대한 포인터, 멤버 변수에 대한 포인터 등을 저장, 복사, 호출할 때 사용 가능.
  • 함수 합성
    template<typename A, typename B, typename C>
function<C(A)> compose(function<C(B)> f, function<B(A)> g) {
    return [f, g](A x) { 
        return f(g(x));
    };
}
  • 고차함수 : 하나 이상의 함수를 인수로 사용할 수 있으머ㅕ, 반환 값으로 함수 사용이 가능한 함수. 예 map, filter, fold.
    • map : std::transform
    • filter : std::copy_if. 반대로 std::remove_copy_if 도 있음.
    • fold : 왼쪽부터 결합하는 foldl과 오른쪽부터 결합하는 foldr 두 종류. foldl을 std::accumulate와 std::begin, std::end로 구현 가능. foldr은 std::rbegin, std::rend로 구현 가능.
  • 순수 함수 : 동일한 입력에 대해 항상 같은 결과를 반환하는 함수. 함수에서 전역 변수 등 함수 바깥의 변수를 참조하지 않으므로 외부 상태를 변경하는 부작용이 없다. 화면 출력 등 I/O 연산도 부작용에 포함된다.
  • 커링 : 여러 개의 인수를 갖는 하나의 함수를, 단일 인수를 갖는 여러 개의 연속된 함수로 나누는 것이다.
    template<typename Func, typename... Args>
auto curry(Func func, Args... args) {
    return [=](auto... lastParam) {
        return func(args..., lastParam...);
    }
}

03장. 함수에 불변 객체 사용하기

  • 불변성을 따르려면 두가지 규칙을 지켜야 한다.
    • 지역 변수를 변경하면 안되며
    • 함수 내에서 전역 변수에 접근하면 안 된다.
  • 불변 객체로 만들어진 클래스의 특징
    • 모든 멤버 변수는 const로 선언.
    • 읽기용 멤버 함수는 값 대신에 const 참조를 리턴.
    • 쓰기용 멤버 함수는 값을 변경하는 대신, 필요한 값만 수정된 새로운 불변 객체를 리턴.
  • 불변 객체를 통해 얻을 수 있는 이득
    • 외부 상태에 변경되지 않으므로 부작용을 없앨 수 있다.
    • 잘못된 객체 상태가 존재하지 않는다.
    • 잠금 없이 여러개의 함수를 함께 실행할 수 있어 thread-safe하고, 동기화 이슈를 피할 수 있다.

04장. 재귀 함수 호출

  • 반복은 작업을 완료할 때까지 필요한 처리를 되풀이하면서 유지하는 것. 재귀는 작업을 해결할 수 있을 때까지 작은 조각으로 나누는 것.
  • 꼬리재귀 : 함수 끝에서 자기 자신을 호출하는 것 외에 더 해야할 일이 없다는 점에서 일반 재귀와 구분. 컴파일러가 코드를 최적화 할 수 있어, 스택을 소비하지 않는다.
    • 컴파일러가 꼬리 재귀를 최적화 하는 방식은 goto 키워드로 마지막 함수 호출을 대체하는 꼬리 호출 제거(tail-calll elimination)와 같다.
    • 꼬리 재귀의 예시
    int factorialTail(int n, int i) {
    if (n == 0) return i;
    return factorialTail(n - 1, n * i);
}

int factorial(int n) {
    return factorialTail(n, 1);
}
  • 함수형 재귀 : 재귀적으로 문제를 풀면서 결과 값을 반환하며 합치는 방식.
  • 절차형 재귀 : 필요한 작업을 바로 처리하고, 값을 반환하지 않는 방식. (결과를 반환하지 않고 바로 출력 등)
  • 백트래킹 재귀 : 실행을 취소할 수 있는 재귀. 예로 깊이 우선 탐색.

05장. 지연 평가로 실행 늦추기

  • 즉시 실행 : 코드를 바로 실행. (x + (y * z))와 같은 식이 있다고 할 때, 가장 안쪽 괄호가 우선 계산되고 다음에 바깥 쪽 괄호가 처리됨.
  • 지연 평가 : 실행 순서가 외부에서 시작하여 내부로 이동. 위의 식의 예에서, +를 먼저 처리하고 y * z를 나중에 평가. 구현하기 위해 다음과 같은 것들이 필요.
    • 처리 흐름 늦추기. Fetch()를 호출하지 않으면 실행되지 않는다.
    • 메모이제이션 : 함수 호출 결과를 저장했다가 동일한 입력이 발생하면 저장된 결과를 반환. 메모이제이션을 사용할 때, 버그를 유발하지 않기 위해 비순수 함수를 배제해야 한다. 결과를 재사용하기 때문에 최적화 효과가 있다.

06장. 메타프로그래밍으로 코드 최적화

  • 메타프로그래밍 : 코드를 사용해서 코드를 생성하는 기술. C++ TMP(템플릿 메타 프로그래밍)는 튜링 완전하다.
  • C 매크로
  • C++ TMP의 4개 기본 요소
    • 타입 : 템플릿은 C++ 타입 시스템에 통합되어 있고, 변수를 타입 이름으로 접근한다.
    • 값 : 값을 다루고자 할 경우 enum의 데이터 멤버에 저장할 수 있다. 입력 매개변수를 받고 계산하여 저장하는 것도 가능하다.
    • 조건 : 부분 특수화(specialization)를 통해 처리한다.
    • 재귀 처리 : 템플릿 매개변수의 하한(예컨대 0)을 두고, 템플릿을 특수화.
  • 컴파일 타임에 조건에 따라 타입 선택하는 템플릿 코드 예시. 비슷하게 특수화를 이용해 if-else, switch, do-while도 구현 가능하다.
    tmeplate<bool predicate, typename TrueType, typename FalseType>
struct IfElseDataType {};

template<typename TrueType, typename FalseType>
struct IfElseDataType<true, TrueType, FalseType> {
    typedef TrueType type;
};

template<typename TrueType, typename FalseType>
struct IfElseDataType<false, TrueType, FalseType> {
    typedef FalseType type;
};

// 사용
IfElseDataType<SHRT_MAX == 2147483647, short, int>::type var; // int
  • 컴파일 타임에 피보나치 수열을 계산하는 예시. 값 범위에서 소수를 찾아 출력하는 예시.
  • TMP의 장점 : 불변성이 있어 기존 타입을 수정할 수 없어 부작용이 없다. 가독성. 코드 반복 감소. 성능 최적화.
  • TMP의 단점 : 구문이 꽤 복잡해질 수 있다. 컴파일 시간 증가. 디버깅이 어렵다.

07장. 동시성을 이용하 병렬 실행

  • lock_guard<mutex> : 코드 블록을 빠져나갈 때 자동으로 잠금이 해제되므로 예외가 발생해도 잠금이 반드시 풀린다.
  • CreateThread()로 만든 쓰레드 내에서는 signal() 외의 CRT 함수가 모두 잘 동작하지만, 누수 발생 가능. CRT 함수를 사용하려면 _beginthreadex()로 쓰레드를 생성할 것.
  • 소감 : 이 장의 내용은 본래 주제에서 많이 벗어났고, 함수형 프로그래밍의 장점과 거리가 많이 먼 내용이 아닌가 생각한다.

08장. 함수형 방식으로 코드 작성하기

  • 전체 정리.