[python] 일급함수와 고위함수

일급함수(First-Class Functions)

일급함수란 프로그래밍 언어에서 하나의 '값'으로 취급할 수 있음을 의미한다. 즉 함수가 변수에 할당되거나, 다른 함수의 인자로 전달되거나, 함수에서 반환될 수 있는 성질을 갖고 있는 것을 말한다. 이러한 개념은 함수를 마치 다른 데이터타입처럼 다룰 수 있게 해준다.

일급 함수의 특징

1. 함수를 변수에 할당할 수 있다.
   함수는 변수에 할당될 수 있다. 이 말은 함수를 직접 호출하지 않고도, 변수를 통해 호출할 수 있다는 의미이다.

def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

greet_func = greet  # 함수를 변수에 할당
print(greet_func("World"))  # 출력: "Hello, World!"

2. 함수를 다른 함수의 인자로 전달할 수 있다.

def shout(text):
    return text.upper()

def whisper(text):
    return text.lower()

def greet(func):
    greeting = func("Hello")
    print(greeting)

greet(shout)  # 출력: "HELLO"
greet(whisper)  # 출력: "hello"

3. 함수를 다른 함수의 반환값으로 사용할 수 있다.

def create_greeting_func(greeting):
    def greet(name):
        return f"{greeting}, {name}!"
    return greet

hello_greet = create_greeting_func("Hello")
print(hello_greet("Alice"))  # 출력: "Hello, Alice!"

4. 데이터 구조에 함수를 저장할 수 있다.

func_list = [greet, shout, whisper]
print(func_list[0]("Alice"))  # 출력: "Hello, Alice!"
print(func_list[1]("Alice"))  # 출력: "ALICE"

일급 함수의 활용 예

일급 함수는 코드의 유연성을 높여주며, 함수형 프로그래밍을 구현하는 데 중요한 개념이다. 이 개념을 잘 활용하면, 코드를 보다 간결하고 재사용 가능하게 만들 수 있다.

1. 콜백 함수:
   함수를 인자로 전달하고, 특정 이벤트가 발생했을 때 그 함수를 호출하는 방식이다. 예를 들어, 파이썬의 GUI 라이브러리나 비동기 프로그래밍에서 콜백 패턴이 자주 사용된다.

def process_data(data, callback):
    # 데이터 처리
    result = data * 2
    # 콜백 호출
    callback(result)

def print_result(result):
    print(f"Result is: {result}")

process_data(5, print_result)  # 출력: "Result is: 10"

2. 데코레이터(Decorator):
   데코레이터 다른 함수를 수정하지 않고 기능을 확장하거나 수정할 때 사용하는 패턴으로, 함수가 일급 객체이기 떄문에 가능해지는 개념이다.

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("Something is happening before the function is called.")
        func()
        print("Something is happening after the function is called.")
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

고위 함수(Higher-Order Function)

고위함수란 함수를 인자로 받거나 함수를 반환하는 함수다. 고위함수는 함수형 프로그래밍에서 핵심적인 개념으로, 다른 함수들을 새로운 함수를 생성하거나 함수를 조합하여 동작을 확장할 수 있다.

고위 함수의 특징

1. 함수를 인자로 받을 수 있다:
   고위 함수는 함수를 인자로 받아서 처리할 수 있다. 예를 들어, 파이썬의 내장 함수인 map(), filter(), sorted() 등이 이러한 방식으로 동작한다.

def apply_function(func, value):
    return func(value)

def square(x):
    return x * x

print(apply_function(square, 5))  # 출력: 25

2. 함수를 반환할 수 있다:
   고위 함수는 다른 함수를 반환할 수 있다. 이는 동적으로 함수를 생성하거나, 함수에 추가동작을 첨가하는데 유용하다.

def make_multiplier(factor):
    def multiply(x):
        return x * factor
    return multiply

doubler = make_multiplier(2)
print(doubler(5))  # 출력: 10

이 예시에서 make_multiplier 함수는 인자로 받은 factor를 기반으로 곱셈을 수행하는 함수를 반환한다.

고위 함수의 예

1. map(): 함수와 이터러블을 인자로 받아, 이터러블의 각 요소에 함수를 적용하여 새로운 이터러블을 반환한다.

numbers = [1, 2, 3, 4]
squares = list(map(lambda x: x ** 2, numbers))
print(squares)  # 출력: [1, 4, 9, 16]

2. filter(): 함수와 이터러블을 인자로 받아, 이터러블의 각 요소에 대해 함수를 적용한 결과가 True인 요소들만 반환한다.

numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
evens = list(filter(lambda x: x % 2 == 0, numbers))
print(evens)  # 출력: [2, 4, 6]

3. reduce(): 이터러블의 요소들을 누적적으로 하나의 값으로 축소할 때 사용된다. 이를 사용하려면 functools 모듈에서 reduce()를 임포트해야 한다.

numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
evens = list(filter(lambda x: x % 2 == 0, numbers))
print(evens)  # 출력: [2, 4, 6]

4. sorted() : 이터러블을 정렬된 리스트로 반환한다. 이때 key인자에 함수를 전달하여 정렬 기준을 설정할 수 있다.

words = ["banana", "apple", "cherry"]
sorted_words = sorted(words, key=lambda x: len(x))
print(sorted_words)  # 출력: ['apple', 'banana', 'cherry']

고위 함수의 활용 예

고위 함수는 코드를 더 모듈화 하고 재사용성을 높이는 데 매우 유용하다.
1. 데코레이터 : 고위 함수를 사용하여 데코레이터를 구현할 수 있다. 데코레이터는 다른 함수를 감싸서, 그 함수의 동작을 확장하거나 변경하는 역할을 한다.

def timer(func):
    import time
    
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end_time = time.time()
        print(f"Executed in {end_time - start_time} seconds")
        return result
    
    return wrapper

@timer
def slow_function():
    time.sleep(2)
    print("Function finished")

slow_function()

여기서 @timer 데코레이터는 slow_function 함수가 실행된 시간을 측정하고 출력한다.

2. 클로저(Closer): 고위 함수는 클로저를 생성하는 데 사용된다. 클로저는 함수 내부에 정의된 함수로, 외부 함수의 변수를 기억하고 사용할 수 있다.

def make_power(n):
    def power(x):
        return x ** n
    return power

square = make_power(2)
print(square(3))  # 출력: 9

일급 함수와 고위 함수의 관계

일급 함수와 고위 함수는 밀접한 관계가 있습니다. 일급 함수가 있기 때문에 고위 함수를 구현할 수 있는 것입니다. 즉, 파이썬이 함수를 일급 객체로 취급하기 때문에, 함수를 인자로 전달하거나 반환할 수 있는 고위 함수를 구현할 수 있다.

함수형 프로그래밍에서의 활용

일급 함수와 고위 함수는 함수형 프로그래밍(Functional Programming) 패러다임의 핵심 요소입니다. 함수형 프로그래밍에서는 함수를 일급 객체로 취급하고, 고차 함수를 활용하여 프로그램의 로직을 구성합니다. 이로 인해 코드의 재사용성과 유연성이 크게 향상된다.

• 순수함수: 함수형 프로그래밍에서 함수는 동일한 입력에 대해 항상 동일한 출력을 반환하는 순수 함수로 작성된다. 이때 고위 함수를 사용하여 순수 함수들을 조합하여 복잡한 연산을 구현할 수 있다.
• 불변성: 함수형 프로그래밍은 상태를 변경하지 않는 불변성을 중요시한다. 고위 함수는 이러한 불변성을 유지하면서 데이터를 처리하는 데 유용하다.
• 함수 조합: 여러 함수를 조합하여 복잡한 로직을 구현하는 것이 함수형 프로그래밍의 기본 아이디어이다. 고위 함수를 사용하여 이러한 함수 조합을 쉽게 구현할 수 있다.