람다식 - Lamda expression

Reference 🙇‍♂️

이 글의 내용은 다음 내용을 참조하여 작성되었습니다.

• Java의 정석
• Why we use lamda expression?
• What is the purpose of a lambda expression?
• What are advantages using lamda in java?
• Understanding Lambda expressions and delegates
• Anonymous function
• AboutInnerClassesDisadvantage
• 가변 관찰할 가능성(no potential for variable shadowing)

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람다식의 도입으로 인해 자바는 객체지향 언어인 동시에 함수형 언어가 되었다고 한다. 함수형 언어의 장점들을 자바에서도 누릴 수 있게 되었으니 람다식이라는 강력한 무기에 대해 알아보자

• 왜 람다식을 사용하나요? : 일부 메서드에 인자로 전달할 수 있는 익명 함수를 정의함으로써 함수 인터페이스를 구현하는 것이 가능하다.
  • 함수형 프로그래밍 활성화
    • 모든 JVM 기반 언어는 객체지향 프로그래밍을 통해 작업해야 했지만, 람다식의 등장으로 함수 코드 작성이 가능해졌다.
  • 읽기 쉽고 간결한 코드
    • 람다식 사용으로 엄청난 양의 코드가 제거된 것이 보고되었다.
  • 사용하기 쉬운 API와 라이브러리
    • 람다식을 사용하여 설계된 API는 다른 API를 더 쉽게 사용하고 지원 가능하다.
  • 병렬 처리 지원
    • 람다식은 오늘날 모든 프로세서가 멀티 코어 프로세서라고 한다.
      따라서 병렬 처리를 지원한다.
• 람다식을 사용함으로써 얻는 장점은 무엇인가요?:
  • 간결하고 읽기 쉬운 코드.
    그리고 람다 표현식으로 가변 관찰할 가능성(no potential for variable shadowing)이 없으며, 내부 클래스를 사용할 때 큰 단점(클래스 증가)을 제거한다.
  • 객체지향이 유연한 변경을 얻는 대신 객체 중첩이라는 단점을 감수했었는데, 그 단점을 제거했다고 이해함, 참조
• 람다식의 목적은 무엇인가요?
  • 익명 메서드 작성에 사용
  • 간결하고 기능적인 구문을 제공
  • 함수형 프로그래밍 개념을 기반으로 하며
• [람다식 사용 시 주의점]
  • 람다 표현식은 컴파일러의 약어를 제공하여 대리자(delegates)에게 할당된 메서드를 방출할 수 있도록 한다.
  • 컴파일러는 람다 인자에 대한 자동 유형 추론을 수행하며, 이는 주요 이점이다.

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람다식이란?

"메서드를 하나의 식(expression)으로 표현한 것"이라고 간단히 말할 수 있다. 그렇다면 그렇게 함으로써 해결되는 문제는 무엇일까?

• 메서드의 이름과 반환값이 없어지므로 람다식을 익명 함수(anonymous function)라고도 한다.
• 함수를 간략하면서도 명확한 식으로 표현할 수 있게 해준다.

int [] arr = new int[5];
Arrays.setAll(arr ,(i) -> (int)(Math.random() *5)+1);

위 람다식이 하는 일을 메서드로 표현하면 다음과 같다.

int method(){
	return (int)(Math.random()*5) +1;

간결하고 이해하기 쉽다는 것에 이견이 없을 것이다.
그렇다면 어떤 문제를 해결하는 것일까?

• 모든 메서드는 클래스에 포함되어야 하므로 클래스도 새로 만들어야 하고, 객체도 생성해야만 비로소 메서드를 호출할 수 있다.
• 그러나 람다식은 모든 과정없이 람다식 자체만으로도 메서드의 역할을 대신할 수 있다.
• 메서드의 매개변수로 전달되어지는 것이 가능하고. 메서드의 결과로 반환될 수도 있다.

람다식으로 인해 메서드를 변수처럼 다루는 것이 가능해진 것이다.

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람다식을 작성하는 방법

익명 함수?

익명 함수(anonymous function)란 무엇일까?

• 식별자에 바인딩되지 않는 함수 정의 (an anonymous function (function literal, lambda abstraction, lambda function, lambda expression or block) is a function definition that is not bound to an identifier.)
• 일반적으로 고차함수 또는 함수를 반환해야 하는 고차함수의 결과를 구성하는데 사용되는 인자로써 사용된다.
• 함수 사용 횟수가 제한되어 있는 경우, 명명된 함수보다 구문이 가벼울 수 있다.

익명 함수답게 메서드에서 이름과 반환타입을 제거하고 매개변수 선언부와 몸통{} 사이에 '->'를 추가한다!

dataType methodName(arguments) -> {...}

• 기존

dataType methodName (arguments){
body
}

• 람다식 적용

(arguments) ->{
body
}

• 반환값이 있는 메서드
  • return 문장(statement)대신 '식(expression)'으로 표현 가능
    (문장이 아닌 '식'이므로 끝에 ;을 붙이지 않는다.)

// statement
(int a, int b) -> {return a>b ? a : b;}
// expression
(int a, int b) -> a > b ? a : b

• 반환 타입이 없는 경우
  • 선언된 매개변수의 타입이 추론 가능한 경우 생략할 수 있다.(대부분의 경우)
  • 람다식에 반환 타입이 없는 이유는 항상 추론이 가능하기 때문이라고 한다.(어느 하나의 타입만 생략하는 것은 허용되지 않는다.)

// not elision
(int a, int b) -> a > b ? a : b
// elision
(a,b) -> a > b ? a : b

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함수형 인터페이스(Fuctional Interface)

람다식이 메서드와 동등한 것이라고 생각할 수 있지만,
사실 익명 클래스의 객체와 동등하다.
그렇다면 람다식은 어떤 클래스에 포함되는 것일까?
간단한 예시 코드를 작성해보자

(int a, int b) -> a > b ? a : b
/**
new Object(){
	int max(int a, int b){
    	return a > b ? a : b;
    }
 }
 */

람다식으로 정의된 익명 객체의 메서드를 어떻게 호출할 수 있을까?
참조변수가 있어야 객체의 메서드를 호출할 수 있으니까 일단 익명 객체 주소를 참조변수에 저장해보자.

type f = (int a, int b) -> a > b ? a : b;

그럼 참조변수의 타입은 뭘로 해야 할까?

• 참조형이기 때문에 클래스 또는 인터페이스가 가능하다.
• 람다식과 동등한 메서드가 정의되어 있는 것이어야 한다.
  그래야만 참조변수로 익명 객체(람다식, 보통의 메서드와 달리 이름이 없는 객체)의 메서드를 호출할 수 있기 때문이다.

• max() 메서드가 정의되어있는 Fuction 인터페이스

interface Fuction{
	public abstract int max(int a, int b);
}

• 익명 객체의 메서드 호출

Fuction function = new Function(){
				public int max(int a, int b){
                	return a > b ? a : b;
                    }
                };
int bigger = funtion.max(5,3);

Function 인터페이스에 정의된 메서드 max()는
람다식 '(int a, int b) -> a > b ? a : b;'와 메서드의 선언부가 일치한다. 그래서 위 코드의 익명 객체를 람다식으로 대체할 수 있다.

• 익명 객체를 람다식으로 대체

Function function = (int a, int b) -> a > b ? a : b;
int bigger = funtion.max(5,3);

익명 객체를 람다식으로 대체 가능한 이유

• 람다식은 실제로 익명 객체이며,
  Test 인터페이스를 구현한 익명 객체의 메서드 max()와
  람다식의 파라미터 타입, 개수, 반환값이 모두 일치하기 때문이다.
• 인터페이스를 통해 람다식을 다루기로 결정되었으며,
  • 하나의 메서드가 선언된 인터페이스를 정의해서 람다식을 다루는 것은 기존 자바 규칙들을 어기지 않으면서도 자연스럽기 때문에
• 람다식을 다루기 위한 인터페이스를 '함수형 인터페이스(functional interface)'라고 부르기로 했다.
• 이 때문에 함수형 인터페이스에는 단 하나의 추상 메서드만 존재해야 한다. 그래야 람다식과 인터페이스의 메서드가 1:1로 매핑되기 때문이다.

// 기존 인터페이스의 메서드 구현
List<String list = Arrays.asList("abc","aaa","bbb","ddd",aaa");
Collections.sort(list, new Comparator<String>(){
	public int compare(String s1, String s2){
    	return s2.compareTo(s1);
    }
});
// 람다식을 통해 간단히 구현
List<String> list = Arrays.asList("abc", "aaa", ""bbb","ddd",aaa");
Collections.sort(list, (s1, s2)) -> s2.compareTo(s1);

• @FunctionalInterface를 붙이면 컴파일러가 함수형 인터페이스를 올바르게 정의하였는지 확인해준다.

함수형 인터페이스로 람다식을 참조할 수 있지만, 람다식의 타입이 함수형 인터페이스의 타입과 일치하는 것은 아니다. 람다식은 익명 객체이고 익명 객체는 타입이 없다. (정확히는 타입이 있지만 컴파일러가 임의로 이름을 정하기 때문에 알 수 없다.) 그러므로 아래와 같이 형변환이 필요하다

Function function = (Function) (()->{}); //

함수형 인터페이스 타입의 매개변수와 반환타입

람다식은 하나의 객체이다.
즉 파라미터, 반환타입으로도 사용가능하다.

interface Test{ // 함수형 인터페이스
	void myMethod();
}

aMethod( () -> sout("myMethod()")); // 람다식을 메서드의 파라미터로 지정

Test myMethod(){ 
		return () -> ();  // 람다식을 직접 반환
}

람다식 타입의 형변환

람다식은 Function인터페이스를 직접 구현하지 않았지만,
이 인터페이스를 구현한 클래스의 객체와 완전히 동일하기 때문에 위와 같은 형변환을 허용한다. 그리고 이 형변환은 생략 가능하다.

람다식은 이름이 없을 뿐 분명히 객체인데도,
Object 타입으로 형변환 할 수 없다.
람다식은 오직 함수형 인터페이스로만 형변환이 가능하다.
굳이 Object 타입으로 형변환하려면 아래와 같이 먼저 함수형 인터페이스로 변환해야 한다.

Object obj = (Object)(MyFunction)(()->{});
String str = (Object)(MyFunction)(()->{})).toString();

외부 변수를 참조하는 람다식

람다식도 익명 객체, 즉 익명 클래스의 인스턴스이므로 람다식에서 외부에 선언된 변수에 접근하는 규칙은 익명 클래스에서 배운 것과 동일하다.
람다식 내에서 외부에 선언된 변수에 접근하는 방법

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java.util.function 패키지

이 패키지에 자주 쓰이는 형식의 메서드를 함수형 인터페이스로 정의해놓았다.

함수형 인터페이스	메서드	설명
java.lang.Runnable	void run()	매개변수도 없고, 반환값도 없음
Supplier T	get()	매개변수는 없고, 반환값만 있음
Consumer		void accept(T t)
Function		R apply(T t)
Predicate		boolean test(T t)
BiConsumer	void accept(T t, U u)	두개의 매개변수만 있고, 반환값이 없음
BiPredicate	boolean test(T t, U u)	조건식을 표현하는데 사용됨. 매개변수는 둘, 반환값은 boolean
BiFunction	R apply(T t, U u)	두개의 매개변수를 받아서 하나의 결과를 반환

• 수학에서 결과로 true 또는 false를 반환하는 함수를 Predicate 라고 한다.
• 매개변수가 2개인 함수형 인터페이스는 이름 앞에 ‘Bi’가 붙는다.
• Supplier는 매개변수는 없고 반환값만 존재하는데 메서드는 두 개의 값을 반환할 수 없으므로 BiSupplier가 없다.
• 매개변수의 타입과 반환타입이 일치할 때는 Function 대신 UnaryOperator를 사용한다. (매개 변수 2개면 BinaryOperator)

// 조건식 표현에 사용되는 Predicate

Predicate<String> isEmptyStr = s -> s.length() == 0;
String s = "";

if(isEmptyStr.test(s))
  System.out.println("This is an empty String.");

Function의 합성과 Predicate의 결합

Function의 합성

두 람다식을 합성해서 새로운 람다식을 만들 수 있다.
함수 f, g가 있을 때
f.andThen(g)는 함수 f를 먼저 적용하고 g 적용.
f.compose(g)는 함수 g를 먼저 적용하고 f 적용.

Predicate의 결합

여러 Predicate를 and(), or(), negate()로 연결해서 하나의 새로운 Predicate로 결합할 수 있다. Predicate의 끝에 negate()를 붙이면 조건식 전체가 부정이 된다.

Predicate<Integer> p = i -> i < 100;
Predicate<Integer> q = i -> i < 200;
Predicate<Integer> r = i -> i%2 == 0;
Predicate<Integer> notP = p.negate();

// 100 <= i && (i < 200 || i%2==0)
Predicate<Integer> all = notP.and(q.or(r));
System.out.println(all.test(150));  // true

• static 메서드인 isEqual()은 두 대상을 비교하는 Predicate를 만들 때 사용한다.
• isEqual()의 매개변수로 비교대상을 하나 지정하고, 또 다른 비교대상은 test()의 매개변수로 지정한다.

Predicate<String> p = Predicate.isEqual(str1);
boolean result = p.test(str2);  //str1과 str2가 같은지 비교하여 결과를 반환

// 위의 두 문장을 하나로 합치면
boolean result = Predicate.isEqual(str1).test(str2);

메서드 참조(Method reference)

람다식이 하나의 메서드만 호출하는 경우,
메서드 참조를 통해 람다식을 간략히 할 수 있다.
'클래스명::메서드명'
또는 '참조변수::메서드명'

// 기존
Function<String, Integer> f = (String s) -> Integer.parseInt(s);

// 메서드 참조
Funcation<String, Integer> f = Integer::parseInt;
생성자를 호출하는 람다식도 메서드 참조로 변환 가능

Supplier<MyClass> s = () -> new MyClass();  // 람다식
Supplier<MyClass> s = MyClass::new; // 메서드 참조
배열 생성할 경우

Function<Integer, int[]> f = x -> new int[x]; // 람다식
Function<Integer, int[]> f2 = int[]::new; // 메서드 참조