절차지향, 객체지향, 함수형 프로그래밍

프로그래밍 패러다임

 

1. 명령형 프로그래밍 : 무엇(What)을 할 것인지 나타내기보다 어떻게(How)할 것인지 설명하는 방식
   • 절차지향 프로그래밍
   • 객체지향 프로그래밍
     
     
2. 선언형 프로그래밍 : 어떻게(How)할 것인지 나타내기보다 무엇(What)을 할 것인지 설명하는 방식
   • 함수형 프로그래밍

 

명령형 프로그래밍

명령형 프로그래밍을 자동차 공장을 예시로 설명하자면 프레스 공정, 차체 조립 공정, 도장 공정, 의장 조립 공정, 검사/검수를 개발자가 심사숙고해서 체계적인 체제를 설계 후 작업하여 자동차를 만드는 사고이며, 자동차를 '어떻게' 만드는지에 초점이 맞춰져 있다.

ex) "프레스 공정, 차체 조립 공정, 도장 공정, 의장 조립 공정은 각 역할을 완료하면 다음 공정으로 넘겨서 자동차를 생산해라"

 

선언형 프로그래밍

반면에 선언형은 한마디로 '자동차를 생산할 것이다.'로 정의할 수 있다. 다시 말해서 무엇을 할 것인지만 설명하고 있으며 전체적인 체계는 신경쓰지 않고 있다. 자동차 생산을 위해서 공정 전체를 체계적으로 설계하는 명령형 프로그래밍과 달리, 선언형 프로그래밍은 자동차 생산에 필요한 공정인 프레스, 차체 조립, 도장, 의장 조립, 검사/검수를 가져다가 사용하며, 각 공정에 재료만 잘 넘기면 목적인 자동차가 나오는 개념으로 이해할 수 있으며, 자동차를 만드는 '무엇'에 초점이 맞춰져 있다. 즉 선언형 프로그래밍에서 각 공정은 체계적으로 설계되어 있기 보다는 자동차를 만들기 위한 행위적인 개념으로만 볼 수 있다.

 

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절차지향 프로그래밍

 

일이 진행되는 순서대로 프로그래밍하는 방법으로 프로그램 전체가 유기적으로 연결되어 있다. 사물에 빗대어 예시를 들면 이케아에서 테이블은 '테이블 상판'과 '테이블 하부 프레임'을 따로 구매해야 한다. 테이블을 조립하려면 하부 프레임을 먼저 조립 완료하고 테이블 상판을 이어서 조립한다. 이처럼 테이블은 분리가 되어 있으면 제 역할을 못하며(유기적), 조립하는 데 순서(순차적)가 틀려서도 안된다. 예시와 마찬가지로 절차지향 프로그래밍 또한 코드가 분리되어 있으면 동작하지 않으며, 순서를 지키지 않으면 다른 결과가 나타날 수 있다.

 

장점

• 컴퓨터와 처리 구조가 비슷하여 실행속도가 빠르다.

 

단점

• 각각의 코드가 유기적으로 연결되어 있어서 유지보수가 어렵다.
• 테이블 하부 프레임이 망가지면 테이블 전체가 망가진 것이기 때문이다.
• 문제 해결을 위해 일부가 아닌 전체를 수리해야 하기 때문에 유지보수, 디버깅이 어렵다.
• 엄격하게 순서가 정해져 있기에 비효율적이다. 순서가 바뀐다면 결과 또한 달라진다.

 

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객체지향 프로그래밍

 

대형 프로젝트에 적합하지 않고, 유지보수가 어려운 절차지향의 단점을 극복하기 위해서 등장했다. 실세계의 실체(사물 혹은 개념)를 인식하는 철학적 사고를 프로그래밍에 접목하려는 시도에서 시작했다. 사물에 해당하는 맥북, 키보드, 트랙패드부터 시작해서, 사물이 아닌 개념에 해당하는 볼륨, 밝기 등이 모두 객체에 포함시킬 수 있다.

 

객체지향은 모든 것을 객체로 취급하고 객체가 처리 요청을 받았을 때, 객체 내부의 기능을 사용해 처리하는 방법이다. 예시로 볼륨이라는 객체 내에는 소리 증가와 소리 감소와 같은 기능(메서드)을 담을 수 있으며, 사용자가 볼륨 조절을 하면 객체 내부의 기능인 소리 증가, 감소를 이용할 수 있는 것이다.

 

객체지향에는 아래와 같은 특징을 가지고 있다.

 

추상화

• 객체들의 공통적인 속성이나 기능을 묶는 것이다.
• 실제로 존재하는 객체들을 프로그램으로 만들기 위한 공통적인 특성을 파악해서 필요없는 특성을 제거하는 과정
• 예를 들어서 데스크탑, 랩탑, 제조사를 가리지 않고 모든 컴퓨터는 CPU, RAM, SSD를 가지고 있다. 이처럼 종류를 가리지 않고 모든 컴퓨터가 공통적으로 가지고 있는 속성을 묶는 개념을 추상화라고 한다.

 

캡슐화

• 추상화를 통해 객체를 정의했다면, 객체에 필요한 데이터나 메서드를 책임이 있는 객체에 그룹화 시키는 것을 캡슐화라 한다.
• 관련된 데이터와 알고리즘이 하나의 묶음으로 독립된 단위를 구성하는 것이다.
• 실제로 구현되는 부분을 외부에 드러나지 않도록 하여 정보를 은닉할 수 있다.
• 데이터를 외부에 보이지 않고 상호작용 할 때는 메서드를 이용하여 통신한다.

 

상속성

• 상위 부모 객체의 속성이나 기능을 하위 객체가 물려받는 것이다.
• 기존 코드를 재사용하는 것으로 객체지향의 중요한 기능 중 하나이다.

 

다형성

• 같은 이름의 메서드가 있어도 매개변수에 따라 각자 다른 역할을 한다. 동일 작업에 같은 이름을 부여하고 코드를 더욱 간결하게 한다.
• 오버로딩 : 하나의 클래스 내에서 같은 이름의 메서드를 여러 개 가질 수 있지만 메서드의 인자는 다름
• 오버라이딩 : 상속 관계에 있는 부모 클래스에서 이미 정의된 메서드를 자식 클래스에서 같은 시그니쳐를 갖는 메서드로 다시 정의하는 것

 

장점

• 객체지향 특징으로 코드 재사용이 가능하다.
• 절차지향과 달리 독립된 객체로 이루어져 있기 때문에 유지보수가 용이하다(문제가 되는 부분만 찾아서 고치면 된다).
• 캡슐화로 정보를 은닉할 수 있기에 보안성이 높다.

 

단점

• 캡슐화 격리 구조 때문에 절차형 프로그래밍에 비해서 속도가 느리다.
• 모든 객체의 역할과 기능을 이해해야 하므로 프로그래밍에 많은 시간이 소요된다.

 

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함수형 프로그래밍

개발자들은 명령형 프로그래밍으로 개발하니 개발하는 소프트웨어의 크기가 커짐에 따라서 스파게티 코드를 유지 보수하는 것이 힘들다는 것을 깨달았다. 함수형 프로그래밍은 거의 모든 것을 순수 함수로 나누어 문제를 해결하는 기법으로, 작은 문제를 해결하기 위한 함수를 작성하여 가독성을 높이고 유지보수를 용이하게 해 준다. 

객체지향 프로그래밍에서는 객체를 생성하기 위해 잘 짜인 일련의 프로세스가 존재한다. 하지만 함수형 프로그래밍은 프로세스보다 순수 함수에 집중한다. 왜 그럴까? 여러 함수들이 사용하는 외부 변수가 바뀌어 예기치 못한 오류가 생기면 프로세스에 차질이 생길 수밖에 없기 때문이다. 예를 들면 이 글의 제일 상단에 자동차 공장을 예시로 선언형 프로그래밍을 설명했는데 예상과 다른 바뀐 input값이 재료로 들어온다면 우리가 생각했던 자동차를 생산할 수 없게 된다. 함수형 프로그래밍은 순수 함수 덕분에 부작용 문제로부터 자유롭고 문제의 소지가 있는 코딩을 피할 수 있다.

 

함수형 프로그래밍의 특징

부작용이 없는 순수 함수를 1급 객체로 간주하여 파라미터나 반환 값으로 사용할 수 있으며, 참조 투명성을 지킬 수 있다.

 

부작용(=부수작용)

컴퓨터 과학에서 함수가 결과값 이외에 다른 상태를 변경시킬 때 부작용이 있다고 말한다. 예를 들어, 함수가 전역변수나 정적변수를 수정하거나, 인자로 넘어온 것들 중 하나를 변경하거나 화면이나 파일에 데이터를 쓰거나, 다른 부작용이 있는 함수에서 데이터를 읽어오는 경우가 있다. 부작용은 프로그램의 동작을 이해하기 어렵게 한다. 함수형 프로그래밍은 명령형 프로그래밍과 달리 부작용을 최소화 한다.

• 변수의 값이 변경된다.
• 자료 구조를 제자리에서 수정한다.
• 객체의 필드 값을 설정한다.
• 예외나 오류가 발생하며 실행이 중단된다.
• 콘솔 또는 파일 I/O가 발생한다.

 

참조 투명성

부작용을 이용하는 함수는 참조에 불투명하고, 그렇지 않은 함수는 참조에 투명한 경우가 많다. 참조에 투명한 함수는 같은 인자를 주면 항상 같은 결과값을 돌려주는 함수이다. 참조에 투명한 함수의 또다른 용어는 결정 함수(deterministic function)이다.

• 동일한 인자에 대해 항상 동일한 결과를 반환해야 한다.
• 참조 투명성을 통해 기존의 값은 변경되지 않고 유지된다.

 

순수 함수

부작용이 제거된 함수로 아래는 순수 함수의 올바른 예시로 항상 동일한 인자를 주면 동일한 결과를 리턴한다. 또한 인자의 값을 변형하지 않으며 외부의 상태를 변화시키지 않는다.

function add(a, b) {
	return a + b;
}

 

다음은 순수함수가 올바르지 않은 예시이다.

let c = 3;

function add(a, b) {
	return a + b + c;
}

function add2(a, b) {
	c = b;
    return a + b;
}

add2의 함수에서는 함수 밖의 변수인 c값을 변경 시키는 부작용이 발생했으므로 순수함수라고 할 수 없다. 이어서 add의 함수 또한 언제든지 c의 값이 변경될 수 있기 때문에 순수함수가 될 수 없다.

• 같은 입력 값이라면, 항상 같은 결과 값을 반환한다.
• side-effects(부작용)를 가지지 않는 함수.
• 순수 함수의 장점은 함수가 독립적이고 부작용이 없기에 쓰레드에 안정성을 보장받는다.
• 쓰레드에 안정성을 보장받아서 병렬 처리를 동기화 없이 진행할 수 있다.

 

1급 객체

1급 객체라는 것은 특정 언어에서 객체를 1급 시민으로 취급한다는 의미이다. 여기서 1급 시민이라는 것은 함수를 변수로 사용할 수 있다는 의미로 해석할 수 있다. 그렇다고 하여서 함수와 변수를 동일한 개념으로 생각해서는 안된다. JavaScript에서는 객체를 1급 시민으로 취급하고, JavaScript에서 함수 자료형은 객체로 분류되므로 1급 객체라고 볼 수 있다. 즉 JavaScript의 함수는 1급 객체이다.

 

JavaScript 함수, 1급 객체가 주는 장점은 고차 함수를 사용할 수 있다는 점이다. 적절한 함수를 인자로 넘겨주면서 forEach, filter, map, reduce, sort등 배열 메소드 같은 편리한 고차함수를 사용할 수 있었다. 여기서 고차함수란 함수를 인자로 받거나 함수를 리턴하는 함수를 의미하며, 추가로 콜백 함수는 다른 함수의 인자로 전달되는 함수를 의미한다.

 

• 변수에 할당(assignment)할 수 있다.

const double = function(num) {
	return num + num;
}

 

• 다른 함수의 인자(argument)로 전달될 수 있다.

function double(num) {
	return num + num
}

function doubleNum(func, num) {
	return func(num);
}

let res = doubleNum(double, 2); // 4

 

• 다른 함수의 결과로서 반환될 수 있다.

function add(num1) {
	return function (num2) {
    	return num1 + num2;
    }
}

 

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참고

• 부작용 - 위키백과
• 일급 객체(First Class Objec)란? 
• 함수형 프로그래밍이 뭔가요? - 얄팍한 코딩사전