[모던 자바 인 액션] Chap3. 람다 표현식

Language/Java

[모던 자바 인 액션] Chap3. 람다 표현식

뚜sh뚜sh 2024. 1. 29. 16:43

람다 표현식

메서드로 전달할 수 있는 익명 함수를 단순화한 것
이름은 없지만, 파라미터 리스트, 바디, 반환 형식, 발생할 수 있는 예외 리스트는 가질 수 있음
람다의 특징
- 익명 : 보통의 메서드와 달리 이름이 없으므로 익명이라 표현함, 구현해야 할 코드에 대한 걱정거리가 줄어듬
- 함수 : 람다는 메서드처럼 특정 클래스에 종속되지 않으므로 함수라고 부름, 하지만 메서드처럼 파라미터 리스트, 바디, 반환 형식, 가능한 예외 리스트를 포함함
- 전달 : 람다 표현식을 메서드 인수로 전달하거나 변수로 저장할 수 있음
- 간결성 : 익명 클래스처럼 많은 자질구레한 코드를 구현할 필요가 없음

※ 파라미터 리스트 (Parameter List)

메서드: 메서드는 0개 이상의 파라미터를 가질 수 있음, 각 파라미터는 타입과 이름을 가짐, 예: void method(int a, String b)
람다 표현식: 람다 표현식도 0개 이상의 파라미터를 가질 수 있음, 타입을 명시할 수도 있고, 생략할 수도 있음, 예: (a, b) -> {...} 또는 (int a, String b) -> {...}

※ 바디 (Body)

메서드: 메서드 바디는 중괄호 {}로 둘러싸여 있으며, 명령문(statement)과 표현식(expression)을 포함할 수 있음
람다 표현식: 람다 바디도 중괄호로 둘러싸일 수 있음, 단일 표현식은 중괄호 없이 사용될 수 있으며, 여러 명령문은 {}로 둘러싸여야 함

※ 반환 형식 (Return Type)

메서드: 메서드는 반환 형식을 명시적으로 선언해야 함, 예: int method(...) {...}
람다 표현식: 람다 표현식은 컴파일러가 문맥을 통해 반환 타입을 유추할 수 있으므로, 반환 형식을 명시적으로 작성하지 않음, 명령문이 한 줄이라면 return 문도 생략할 수 있음

※ 발생할 수 있는 예외 리스트 (List of Possible Exceptions)

메서드: 메서드는 발생할 수 있는 예외를 명시할 수 있음, 예: void method() throws IOException {...}
람다 표현식: 람다 표현식에서도 예외를 던질 수 있지만, 이를 명시적으로 선언하지는 않음, 대신 람다 표현식을 사용하는 함수형 인터페이스가 예외를 선언할 수 있음

Expression과 Statement의 차이

Expression (표현식)

표현식은 값으로 평가되는 코드 조각, 즉, 실행되면 단일 값으로 해석됨
표현식은 변수, 연산자, 함수 호출 등을 포함할 수 있으며, 이들의 조합으로 구성됨
예를 들어, 5 * 3, a + b, Math.max(10, 20) 등이 표현식임, 이들은 각각 15, a와 b의 합, 20으로 평가됨
표현식은 보통 다른 표현식의 일부로 사용되거나, statement의 일부로 사용됨

Statement (구문)

statement는 완전한 실행 단위임, 프로그램에서 어떤 작업을 수행하는 코드의 단위로, CPU에게 실행할 명령을 나타냄
statement는 표현식을 포함할 수 있지만, 값으로 평가되지는 않음
statement의 예로는 변수 선언(int a = 5;), 조건문(if (a > 5) {...}), 반복문(for (int i = 0; i < 10; i++) {...}) 등이 있음
각 statement는 보통 세미콜론(;)으로 끝남

함수형 인터페이스

정확히 하나의 추상 메서드를 지정하는 인터페이스
예) 자바 API의 함수형 인터페이스로는 Comparator, Runnable 등이 있음
람다 표현식으로 함수형 인터페이스의 추상 메서드 구현을 직접 전달할 수 있으므로 전체 표현식을 함수형 인터페이스의 인스턴스(기술적으로 따지면 함수형 인터페이스를 구현한 클래스의 인스턴스)로 취급할 수 있음
@FunctionalInterface : 함수형 인터페이스임을 가리키는 어노테이션

함수 디스크립터

함수형 인터페이스의 추상 메서드 시그니처는 람다 표현식의 시그니처를 가리킴
람다 표현식의 시그니처를 서술하는 메서드를 함수 디스크립터라고 부름

※ 시그니처

프로그래밍에서 메서드 또는 함수를 고유하게 식별하는 데 사용되는 특정 구성 요소를 말함
예) () -> void

실행 어라운드 패턴(Execute Around Pattern)

자원 처리(예를 들면 데이터베이스의 파일 처리)에 사용하는 순환 패턴은 자원을 열고, 처리한 다음에, 자원을 닫는 순서로 이루어짐
즉, 실제 자원을 처리하는 코드를 설정과 정리 두 과정이 둘러싸는 형태를 가지는 코드를 실행 어라운드 패턴이라고 부름

Predicate

java.util.function.Predicate<T> 인터페이스는 test라는 추상 메서드를 정의하며 test는 제네릭 형식 T의 객체를 인수로 받아 boolean을 반환함
따로 정의할 필요 없이 바로 사용할 수 있다는 점이 특징
T 형식의 객체를 사용하는 boolean 표현식이 필요한 상황에서 사용할 수 있음

Consumer

java.util.function.Consumer<T> 인터페이스는 제네릭 형식 T 객체를 받아서 void를 반환하는 accept라는 추상 메서드를 정의함
T 형식의 객체를 인수로 받아서 어떤 동작을 수행하고 싶을 때 Consumer 인터페이스를 사용할 수 있음

Function

java.util.function.Function<T, R> 인터페이스는 제네릭 형식 T를 인수로 받아서 제네릭 형식 R 객체를 반환하는 추상 메서드 apply를 정의함
입력을 출력으로 매핑하는 람다를 정의할 때 Function 인터페이스를 활용할 수 있음

기본형 특화

자바의 모든 형식은 참조형(Byte, Integer, Object, List) 아니면 기본형(int, double, byte char)에 해당함
하지만 제네릭 파라미터에는 참조형만 사용할 수 있음(제네릭 내부 구현 떄문)
자바에서는 기본형을 참조형으로 변환하는 기능을 제공(박싱)
박싱한 값은 기본형을 감싸는 래퍼이며 힙에 저장됨

※ 언박싱 : 참조형을 기본형으로 변환하는 동작

※ 오토박싱 : 프로그래머가 편리하게 코드를 구현할 수 있도록 박싱과 언박싱이 자동으로 이루어지는 기능

Parameter와 Argument의 차이

Parameter (파라미터)

파라미터는 함수나 메서드 정의에 나타나는 변수
함수나 메서드가 수행할 작업에 필요한 입력을 나타내며, 함수나 메서드의 '서명(signature)'의 일부임
함수나 메서드가 호출될 때, 파라미터는 특정 값을 받아들일 '공간' 또는 '슬롯'으로 생각할 수 있음
예: 자바에서 void myMethod(int a, String b)에서 a와 b는 파라미터임

Argument (아규먼트)

아규먼트는 함수나 메서드를 호출할 때 전달하는 실제 값
아규먼트는 호출된 함수나 메서드의 파라미터에 할당되거나, 그 함수 내에서 사용됨
즉, 아규먼트는 함수나 메서드 '호출' 시에 사용되는 구체적인 값임
예: myMethod(5, "Hello")에서 5와 "Hello"는 아규먼트임

형식 검사

람다가 사용되는 콘텍스트를 이용해서 람다의 형식을 추론할 수 있음
어떤 콘텍스트(예를 들면 람다가 전달될 메서드 파라미터나 람다가 할당되는 변수 등)에서 기대되는 람다 표현식의 형식을 대상 형식이라고 부름

※ 다이아몬드 연산자

자바 7부터 도입된 "다이아몬드 연산자"(<>)는 제네릭 타입 추론을 단순화하는 문법
다이아몬드 연산자를 사용하면, 컴파일러가 컨텍스트를 기반으로 제네릭 타입의 파라미터를 자동으로 추론할 수 있음
이는 코드를 더 간결하고 읽기 쉽게 만들며, 타입 선언을 중복해서 작성하는 번거로움을 줄여줌

※ 특별한 void 호환 규칙

void 반환 타입을 가진 람다 표현식과 관련된 특정 상황을 다룰 수 있음
이 규칙은 주로 함수형 인터페이스와 람다 표현식을 사용할 때 중요한 역할을 함
람다 표현식에서는 반환 타입이 void인 경우, 표현식의 바디(body)가 단일 문장(single statement)인 경우에는 그 문장이 반환 타입이 void이거나, 어떠한 값도 반환하지 않는 메서드 호출일 수 있음

람다 캡처링(capturing lambda)

람다 표현식에서는 익명 함수가 하는 것처럼 자유 변수(파라미터로 넘겨진 변수가 아닌 외부에서 정의된 변수)를 활용할 수 있음
이러한 동작을 람다 캡처링이라고 부름

int portNumber = 1337;
Runnable r = () => System.out.println(portNumber);

하지만 자유 변수에도 약간의 제약이 있음
람다는 인스턴스 변수와 정적 변수를 자유롭게 캡처(자신의 바디에서 참조할 수 있도록)할 수 있음
하지만 그러려면 지역 변수는 명시적으로 final로 선언되어 있어야 하거나 실질적으로 final로 선언된 변수와 똑같이 사용되어야 함
즉, 람다 표현식은 한 번만 할당할 수 있는 지역 변수를 캡처할 수 있음(참고 : 인스턴스 변수 캡처는 final 지역 변수 this를 캡처하는 것과 마찬가지다)

※ 인스턴스 변수

클래스의 각 객체(인스턴스)에 속한 변수를 말함
인스턴스 변수는 클래스 내에서 선언되지만, 클래스의 메서드, 생성자 또는 블록에 속하지 않는 변수임
인스턴스 변수는 객체가 생성될 때마다 생성되며, 각 객체에 대해 고유한 상태를 저장함
인스턴스 변수는 자동으로 기본값으로 초기화됨

※ 정적 변수(static variable) 또는 클래스 변수(class variable)

클래스의 모든 인스턴스 간에 공유되는 변수
정적 변수는 클래스 레벨에 선언되며, 'static' 키워드를 사용하여 정의됨
클래스의 모든 인스턴스가 동일한 변수를 공유하기 때문에, 메모리 사용이 효율적임
정적 변수는 클래스가 메모리에 로드될 때 한 번만 생성되며, 프로그램 실행이 끝날 때까지 유지됨
클래스의 모든 인스턴스는 정적 변수에 대한 동일한 값을 보고, 이 값을 변경할 수 있음

※ 지역 변수(Local Variable)

함수, 메서드 또는 블록 내에서 선언되고 사용되는 변수를 말함
지역 변수는 선언된 블록, 함수, 또는 메서드 내에서만 접근 가능함
해당 범위를 벗어나면, 지역 변수는 더 이상 접근할 수 없으며, 메모리에서 해제됨
지역 변수는 자동으로 기본값으로 초기화되지 않기 때문에 사용하기 전에 반드시 초기화해야 함
지역 변수는 스택 메모리에 할당됨

지역 변수의 제약

내부적으로 인스턴스 변수와 지역 변수는 태생부터 다름
인스턴스 변수는 힙에 저장되는 반면 지역 변수는 스택에 위치함
람다에서 지역 변수에 바로 접근할 수 있다는 가정하에 람다가 스레드에서 실행된다면 변수를 할당한 스레드가 사라져서 변수 할당이 해제되었는데도 람다를 실행하는 스레드에서는 해당 변수에 접근하려 할 수 있음
따라서 자바 구현에서는 원래 변수에 접근을 허용하는 것이 아니라 자유 지역 변수의 복사본을 제공함
따라서 복사본의 값이 바뀌지 않아야 하므로 지역 변수에는 한 번만 값을 할당해야 한다는 제약이 생긴 것임

클로저(Closure)

클로저(Closure)는 함수와 그 함수가 선언됐을 때의 렉시컬 환경(Lexical Environment)과의 조합임
렉시컬 환경이란 함수가 생성될 당시의 변수 스코프를 의미함
즉, 클로저는 함수가 자신이 정의됐을 때의 환경을 '기억'하는 함수
원칙적으로 클로저란 함수의 비지역 변수를 자유롭게 참조할 수 있는 함수의 인스턴스를 가리킴
예를 들어 클로저를 다른 함수의 인수로 전달할 수 있음
클로저는 클로저 외부에 정의된 변수의 값에 접근하고, 값을 바꿀 수 있음
자바 8의 람다와 익명 클래스는 클로저와 비슷한 동작을 수행함
람다와 익명 클래스 모두 메서드의 인수로 전달될 수 있으며 자신의 외부 영역의 변수에 접근할 수 있지만 람다가 정의된 메서드의 지역 변수의 값은 바꿀 수 없음

메서드 참조

특정 메서드만을 호출하는 람다의 축약형이라고 생각할 수 있음
메서드명 앞에 구분자(::)를 붙이는 방식으로 메서드 참조를 활용할 수 있음

메서드 참조를 만드는 방법

1. 정적 메서드 참조

예를 들어 Integer의 parseInt 메서드는 Integer::parseInt로 표현할 수 있음

2. 다양한 형식의 인스턴스 메서드 참조

예를 들어 String의 length 메서드는 String::length로 표현할 수 있음

3. 기존 객체의 인스턴스 메서드 참조

예를 들어 Transaction 객체를 할당받은 expensiveTransaction 지역 변수가 있고, Transaction 객체에는 getValue 메서드가 있다면, 이를 expensiveTransaction::getValue라고 표현할 수 있음

※ 정적 메서드

클래스의 인스턴스(객체)와는 독립적으로 클래스 자체에 속하는 메서드
자바에서 정적 메서드는 static 키워드를 사용하여 정의
클래스가 로드되는 시점에 메모리에 할당됨
정적 메서드는 객체를 생성하지 않고도 클래스 이름을 통해 직접 호출할 수 있음
정적 메서드 내에서는 인스턴스 변수나 인스턴스 메서드에 직접 접근할 수 없음
왜냐하면 정적 메서드는 객체가 아닌 클래스 레벨에 존재하기 때문
하지만, 해당 클래스의 정적 변수나 정적 메서드에는 접근할 수 있음

※ 클래스 레벨 (Class Level)

클래스 레벨의 요소는 클래스에 속하며, 모든 인스턴스(객체)에 공통적으로 적용됨
클래스 변수(정적 변수, static variables)와 클래스 메서드(정적 메서드, static methods)는 클래스 레벨에 속함
이들은 static 키워드를 사용하여 정의되며, 클래스 이름을 통해 직접 접근할 수 있음, 예를 들어, Math.PI 또는 Math.max()와 같이 사용할 수 있음
클래스 레벨의 요소는 해당 클래스의 모든 객체에서 공유됨, 따라서 한 곳에서 클래스 변수의 값을 변경하면, 해당 클래스의 모든 객체에 영향을 미침
클래스 레벨의 요소는 프로그램이 시작될 때 메모리에 로드되고, 프로그램이 종료될 때 해제됨

※ 객체 레벨 (Object Level)

객체 레벨의 요소는 특정 클래스의 인스턴스(객체)에 속함
인스턴스 변수(non-static variables)와 인스턴스 메서드(non-static methods)는 객체 레벨에 속함
이들은 객체를 생성할 때마다 각 객체에 대해 별도로 생성되며, 객체를 통해 접근함, 예를 들어, myObject.methodName() 또는 myObject.variableName과 같이 사용할 수 있습니다.
객체 레벨의 요소는 해당 객체에 고유하며, 다른 객체의 상태나 동작에 영향을 미치지 않음
객체 레벨의 요소는 객체가 생성될 때 메모리에 할당되고, 객체가 더 이상 사용되지 않을 때 가비지 컬렉터에 의해 메모리에서 해제됨

※ 헬퍼 메서드(helper method) 또는 유틸리티 메서드(utility method)

주로 작업을 수행하는 데 도움이 되는 보조적인 기능을 제공하는 메서드
이러한 메서드들은 코드 중복을 줄이고, 가독성을 높이며, 유지 보수를 용이하게 하기 위해 사용됨
헬퍼 메서드 특징
- 재사용성: 헬퍼 메서드는 일반적으로 재사용 가능하도록 설계됨, 즉, 다양한 곳에서 같은 기능이 필요할 때 해당 메서드를 호출함으로써 코드를 재사용할 수 있음
- 단일 책임: 헬퍼 메서드는 보통 한 가지 작업 또는 관련된 몇 가지 작업만 수행함, 이는 '단일 책임 원칙(Single Responsibility Principle)'을 따르는 것으로, 코드를 이해하고 유지 관리하기 쉽게 만듦
- 모듈성: 헬퍼 메서드를 사용하면 코드를 잘 정의된 작은 단위로 분리할 수 있어, 전체 코드의 모듈성이 향상됨
- 숨김성: 때로는 헬퍼 메서드를 private으로 선언하여 클래스 내부에서만 사용하도록 할 수 있음, 이렇게 하면 클래스의 내부 구현을 숨기고, 외부에서는 클래스의 주요 기능만 사용하도록 할 수 있음
- 명확성: 헬퍼 메서드는 자체적인 이름을 가지고 있어, 메서드의 이름만 보고도 어떤 기능을 수행하는지 이해하기 쉬움

생성자 참조

ClassName::new처럼 클래스명과 new 키워드를 이용해서 기존 생성자의 참조를 만들 수 있음
이것은 정적 메서드의 참조를 만드는 방법과 비슷함

1. Supplier의 () -> Apple과 같은 시그니처를 갖는 생성자가 있다고 가정하자(아래 두 코드는 같은 코드)

Supplier<Apple> c1 = Apple::new;
Apple a1 = c1.get();

Supplier<Apple> c1 = () -> new Apple();
Apple a1 = c1.get();

2. Apple(Integer weight)라는 시그니처를 갖는 생성자는 Function 인터페이스의 시그니처와 같다(아래 두 코드는 같은 코드)

Function<Integer, Apple> c2 = Apple::new;
Apple c2 = c2.apply(100);

Function<Integer, Apple> c2 = (weight) -> new Apple(weight);
Apple a2 = c2.apply(100);

3. Map으로 생성자와 문자열값을 관련시키고, String과 Integer가 주어졌을 때 다양한 무게를 갖는 여러 종류의 과일을 만드는 giveMeFruit라는 메서드를 만들 수 있음

1. Map 선언 및 초기화

static Map<String, Function<Integer, Fruit>> map = new HashMap<>();

2. 정적 초기화 블록

static {
    map.put("apple", Apple::new);
    map.put("orange", Orange::new);
}

정적 초기화 블록(static {})은 클래스가 로드될 때 한 번 실행됨
이 블록에서 map에 두 개의 항목을 추가함

3. giveMeFruit 메서드

public static Fruit giveMeFruit(String fruit, Integer weight) {
	return map.get(fruit.toLowerCase())
    		  .apply(weight);
}

Comparator.comparing()

자바 8에서 도입된 메서드로, 특정 클래스의 객체를 비교하기 위한 Comparator 객체를 생성하는 데 사용됨

Comparator.comparing(Function<? super T,? extends U> keyExtractor)

keyExtractor: 객체에서 특정 키를 추출하는 함수, 이 함수는 비교할 객체의 한 속성을 반환함

예시

import static java.util.Comparator.comparing;
inventory.sort(comparing(apple -> apple.getWeight()));

Comparator 조합

역정렬

내림차순으로 정렬하고 싶을 때 다른 Comparator 인스턴스를 만들 필요가 없음
인터페이스 자체에서 주어진 비교자의 순서를 뒤바꾸는 reverse라는 디폴트 메서드를 제공하기 때문

inventory.sort(comparing(Apple::getWeight).reversed());

Comparator 연결

정렬 리스트에서 같은 값이 존재한다면 thenComparing 메서드로 두 번째 비교자를 만들 수 있음
thenComparing은 함수를 인수로 받아 첫 번째 비교자를 이용해서 두 객체가 같다고 판단되면 두 번째 비교자에 객체를 전달함

inventory.sort(comparing(Apple::getWeight)
				.reversed()
				.thenComparing(Apple::getCountry));

Predicate 조합

Predicate 인터페이스는 복잡한 프레디케이트를 만들 수 있도록 negate, and, or 세 가지 메서드를 제공함
예를 들어 '빨간색이 아닌 사과'처럼 특정 프레디케이트를 반전시킬 때 negate 메서드를 사용할 수 있음

Predicate<Apple> notRedApple = redApple.negate();

또한 and 메서드를 이용해서 빨간색이면서 무거운 사과를 선택하도록 두 람다를 조합할 수 있음

Predicate<Apple> redAndHeavyApple = redApple.and(apple -> apple.getWeight() > 150);

그뿐만 아니라 or을 이용해서 '빨간색이면서 무거운 사과 또는 그냥 녹색 사과' 등 다양한 조건을 만들 수 있음

Predicate<Apple> redAndHeavyAppleOrGreen = redApple.and(apple -> apple.getWeight() > 150)
                .or(apple -> GREEN.equals(a.getColor()));