C# Lambda-Expression | 람다식

💫 Q

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• 람다식 ?
• 람다식을 선언하고 사용하는 방법
• 문 형식의 람다식을 작성하고 사용하는 방법
• 식 트리

💫 Lambda-Expression | 람다식

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익명-메소드를 만드는 또 하나의 방법.
람다식으로 만드는 익명 메소드는 무명-함수(Anonymous Function)라는 이름으로 부른다.

🫧 Lambda-Expression 구현

(매개변수) => 식 같은 모양으로 만든다.

=> 는 입력 연산자 (혹은 람다 연산자(Lambda Operator)).
=>를 중심으로 왼쪽에는 매개변수, 오른쪽에는 식이 위치.
그저 왼쪽 매개 변수를 오른쪽 식에 전달하는 역할.

(int x, int y) => x + y

🫧 Type-Inference | 타입 추론(형식 유추)

C# 컴파일러는 코드를 한층 더 간결하게 만들 수 있도록 타입 추론(형식 유추) (Type-Inference)를 지원한다.
타입 추론을 이용하면 람다식에서 매개 변수의 타입을 제거할 수 있다.

delegate int MyDelegate(int x, int y);

// C# 컴파일러가 `delegate`의 선언 코드로부터 무명 함수의 매개 변수 타입을 추론해낸다.
MyDelegate myDelegate = (x, y) => x + y;

🫧 Lambda-Expression Why?

람다식으로 만드는 무명함수는, 대리자를 이용한 익명 메소드보다 간결하다.

더 번거로운 방법과 더 간결한 방법이 동시에 존재하는 이유 ?
대리자를 이용한 익명 메소드는 C# 2.0에서 도입, 람다식은 C# 3.0에서 도입.
하위 호환성을 유지하기 위해 두 가지 방법을 모두 지원.

delegate int MyDelegate(int x, int y);

// 익명-메소드
MyDelegate myDelegate = delegate (int x, int y) { return x + y; };

// 람다식
MyDelegate myDelegate = (x, y) => x + y;

🫧 Statement Lambda | 문 형식의 람다식

식 형식의 람다식는 => 연산자의 오른편에 식을 사용.
문 형식의 람다식은 => 연산자의 오른편에 중괄호({})를 사용하여 코드 블록을 작성.

여러 줄의 코드를 사용할 수 있으며, return 키워드를 사용하여 반환값을 지정할 수 있다.
반환 형식이 없는 무명-함수를 만들 수 있다.

(int x, int y) => { /* ... */ }
(int x, int y) =>
{
	// ...
	return x + y;
}

( ) => { /* ... */ }
( ) =>
{
	// ...
	return 0;
}

💫 Expression-Tree | 식-트리

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식을 트리로 표현한 자료 구조.

예를 들어 1 * 2 + (7 - 8) 같은 식을 트리로 표현하면 아래과 같다.

   +
  / \
 *   -
/ \ / \
1 2 7 8

식 트리에서 연산자는 부모 노드가 되며, 피연산자는 자식 노드가 된다.
이렇게 식 트리로 표현된 식은 트리의 잎 노드끼리 계산해서 차례차례 루트까지 올라가면 전체 식의 결과를 얻을 수 있다.

🫧 Expression-Tree Why?

완전한 C# 컴파일러는 아니지만,
프로그래머가 코드 안에서 직접 식 트리를 조립하고 컴파일해서 사용할 수 있는 기능을 제공.
다시 말해, 프로그램 실행 중에 동적으로 무명 함수를 만들어 사용할 수 있게 해준다는 이야기.

식 트리 자료 구조는 컴파일러나 인터프리터를 제작하는 데도 응용.
컴파일러는 프로그래밍 언어의 문법을 따라 작성된 소스 코드를 분석해서 식 트리로 만든 후, 이를 바탕으로 실행 파일을 만든다.

💫 Expression

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🫧 Expression Class

Expression 클래스와 아이들(파생 클래스들).
식 트리를 다루는데 필요한 클래스.

System.Linq.Expressions네임스페이스에 정의되어 있다.

Expression 클래스는 식 트리를 구성하는 노드를 표현
그래서 Expression을 상속받는 파생 클래스들 역시 식 트리의 각 노드를 표현

Expression 클래스는 파생 클래스들의 객체를 생성하는 역할도 담당
파생 클래스의 인스턴스를 생성하는 정적 팩토리 메소드를 제공.

Expression 클래스 자체는 추상 클래스이므로 직접 인스턴스를 생성할 수는 없다.

🫧 Expression 구현

Expressin 클래스의 정적 팩토리 메소드를 통한 객체 생성.

프로그래머는 각 노드가 어떤 타입인지 신경 쓰지 않고 거침없이 Expression 형식의 참조를 선언해서 사용할 수 있다.
필요한 경우에는 각 세부 형식으로 형변환을 하면 되니까.
이것이 팩토리 메소드 패턴의 매력.

Expression const1 = Expression.Constant(1);// 상수 표현식 객체 생성
Expression param1 = Expression.Parameter(typeof(int), "x"); // 매개변수 표현식 객체 생성

Expression exp = Expression.Add(const1, param1); // 덧셈 표현식 객체 생성
// '1 + x' 를 나타내는 식 트리

🫧 Expression 컴파일/실행

식 트리는 결국 “식”을 트리로 표현한 것에 불과.
다시 말해, 실행 가능한 상태가 아니라 그저 “데이터” 상태에 머물러 있다는 말.

자신의 트리 자료 구조 안에 정의되어 있는 식을 실행할 수 있으려면 람다식으로 컴파일되어야 한다.

람다식으로의 컴파일은 Expression<TDelegate> 클래스를 이용한다.
(Expression <- LambdaExpression <- Expression<TDelegate>)

Expression const1 = Expression.Constant(1);
Expression param1 = Expression.Parameter(typeof(int), "x");

Expression exp = Expression.Add(const1, param1);

// 람다식 LambdaExpression (정확히는 파생 클래스인 Expression<TDelegate>) 생성
Expression<Func<int, int>> lambda1 = 
	Expression.Lambda<Func<int, int>>( // 반환값이 int이고 매개변수가 int인 람다식을 만듭니다.
		exp,
		new ParameterExpression[] { (ParameterExpression)param1 });

// 실행가능한 코드로 컴파일
Func<int, int> compiledExp = lambda1.Compile();

// 컴파일된 람다식을 실행
Console.WriteLine(compiledExp(3)); // Output : 4

🫧 Expression 람다식 활용

람다식을 이용하면 더 간단하게 식 트리를 만들 수 있다.

다만 이 경우에는 “동적으로” 식 트리를 만들기는 어려워진다.
Expression 형식은 “불변 (Immutable)”이기 때문에, 한 번 인스턴스를 만들면 수정할 수 없다.

Expression<Func<int, int>> lambda2 = (x) => 1 + x;
Func<int, int> compiledExp = lambda2.Compile();

Console.WriteLine(compiledExp(3)); // Output : 4

🫧 Expression So?

식 트리는 코드를 “데이터”로써 보관할 수 있다.
파일에 저장할 수도 있고 네트워크를 통해 다른 프로세스에 전달할 수도 있다.

심지어 코드를 담고 있는 식 트리 데이터를 데이터 베이스 서버에 보내서 실행시킬 수도 있다.

데이터 베이스 처리를 위한 식 트리는 LINQ에서 사용된다
LINQ를 이해하려면 람다식과 식 트리를 이해하고 있어야한다.

🫧 Expression-Bodied Member | 식 본문 멤버

‘메소드, 속성(인덱서), 생성자, 종료자’의 공통된 특징?
모두 클래스의 멤버로서 본문이 중괄호로 만들어져 있다.

이러한 멤버의 본문을 식(Expression)만으로 구현하는 것이 가능하다.
멤버 => 식 형태로 구현한다.

이렇게 식으로 구현된 멤버를 식 본문 멤버(Expression-Bodied Member)라고 부른다.

class MyClass
{
	private List<int> list = new List<int>();

	// 메소드
	public void Add(int value) => list.Add(value);

	// 읽기 전용 속성
	public int Capacity => list.Capacity;

	// 읽기 / 쓰기 가능한 속성, 인덱서 [1]
	public int this[int index]
	{
		get => list[index];
		set => list[index] = value;
	}

	// 인덱서 [2]
	public int this[int index] => list[index];

	// 생성자, 종료자
	public MyClass(int value) => this.value = value;
	~MyClass() => Console.WriteLine("소멸자 호출");
}

💫 메모

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• λ-Expression
• λ는 그리스 문자에서 L에 해당하는 문자
  • 알론조 처치는 이 문자를 함수 표기를 위한 기호로 ^를 사용했는데, 이는 프린터에서 어려움이 있어 λ로 바꿨다고 함
• => 를 화살표 연산자라고도 부른다.
  • 이 경우, => 를 이용한 식을 화살표 함수라고 부른다.
• ‘이것이 C#이다.’, ‘MSDN’

• TODO: C# 람다 클로저 원리

• LINQ
• Factory-Pattern
• TODO: 프로그래밍 언어론과 연관지어 (식트리)

🫧 Lambda-Expression 배경

알론조 처치(Alonzo Church)
1936년에 고안한 람다 계산법(Lambda Calculus : 람다 대수)에서 유래.

• 람다 계산법 :
  • 수학 기초론을 연구하던 중, 분명하고 간결한 방법으로 함수를 묘사하기 위해 고안
  • 크게 함수의 정의와 변수, 그리고 함수의 적용으로 구성
  • 이 계산법에서는 모든 것이 함수로 이루어져 있음, 심지어 ‘0, 1, 2 …’ 같은 숫자도 함수로 표현
  • 따라서 람다 계산법에서는 어떤 값을 변수에 대입하고 싶으면 함수를 변수에 대입하며, 이것을 함수의 적용이라고 부름

제자였던 존 매카시(John McCarthy).
이것을 단순히 수학 이론에 그치지 않고, 프로그래밍 언어에 도입할 수 있겠다는 아이디어를 제시.
50년대 말에 LISP라는 언어를 개발.

이후 람다 계산법의 개념은 이후 다른 프로그래밍 언어에도 도입되었으며,
C#, C++, Java, Python 같은 주류 프로그래밍 언어는 대부분 람다식을 지원.