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모나드(Monad)는 함수형 프로그래밍의 개념으로, 자료형과 결속 연산, 단위 함수로 구성된다. [1] 연산이라는 개념을 서술한다고 할 수 있으며,[2] 함수형 프로그래밍에서 제네릭 프로그래밍을 구현하기 위한 디자인 패턴으로도 여겨진다.[3] 연산을 연결하면서 그 사이에 추가적인 처리를 실행할 수 있다는 점에서 프로그래밍 가능한 세미콜론으로 빗대어지기도 한다.[1]
동기
편집모나드는 함수형 프로그래밍에 명령형 프로그래밍을 삽입하는 방법 중 하나이다.[2] 예외 처리와 함수의 부작용을 지원하지 않는 순수한 함수형 언어에서
- 함수가 두 가지 이상의 일을 하게 만들고
- 두 가지 이상의 일을 표현하는 하나의 자료형 정의하고
- 그렇게 만들어진 새로운 자료형을 반환하는 함수를 합성하는 법을 정의하는 데 모나드가 사용되었다.[4] 대표적인 용법으로 입출력이 있다.
그러나 모나드의 쓰임새는 명령형 프로그래밍이나 입출력을 하는 데 제한되지 않는다. 예를 들어 연쇄된 연산을 간략화하거나 복잡한 상태를 숨기고 로그를 남기는 데 쓰일 수 있다. [1] 리스트 또한 모나드로 해석될 수 있다. [5] 모나드는 훨씬 일반적인 개념이며, 범주론에서 모나드가 어디에나 존재하듯이 컴퓨터 과학에 있어서 어디에나 존재한다고 할 수 있다.[2]
정의
편집프로그래밍에서의 모나드는 자료형 생성자, 단위 함수, 결속 연산으로 구성된다. 이 요소는 수학에서의 모나드에 있어서의 클라이슬리 순서쌍이라 불리는 세 요소에 대응한다.
- 자료형 생성자는 내부 준동형 함자에 해당되며, 기반이 되는 자료형에서 모나드 자료형을 얻는 방식을 서술한다. 하스켈에서 M이 모나드의 이름이고 t가 자료형일때, M t가 해당 자료형의 모나드 자료형이 된다.
- 단위 함수는 항등 자연 변환에 해당되며, 기반이 되는 자료형의 값을 모나드 자료형의 값으로 바꾸는 함수이다. 하스켈에서 단위 함수는
return
이라 불리며 자료형은 다형성 자료형 t → M t이다. - 결속 연산은 합성 자연 변환에 해당된다. 하스켈에서 중치형 연산자
>>=
으로 표현되며 자료형은 다형성 자료형 (M t)→(t→M u)→(M u)이다. 이를 해석하면- 모나드 자료형의 값과
- 기반 자료형의 값을 다른 모나드 자료형의 값으로 바꾸는 함수를 받아
- 다른 모나드 자료형의 값을 반환하는 함수라고 할 수 있다.
또, 모나드는 모나드 규칙을 만족시켜야 하며,[6] 이는 범주론의 모나드에서의 두 규칙에 대응한다.
- 단위 함수는 결속 연산의 항등원으로 작용해야 한다. 하스켈을 예로 들면
(return v) >>= f ≡ f v
,m >>= return ≡ m
이어야 한다.
- 결속 연산은 결합법칙을 만족시켜야 한다. 하스켈을 예로 들면
(m >>= f) >>= g ≡ m >>= ( \x -> (f x >>= g) )
이어야 한다.
모나드 합성 연산자 >=>
편집결속 연산은 합성 연산자 >=>
로 대체될 수 있으며, (f >=> g) x ≡ (f x) >>= g
로 정의된다.
이 경우 모나드 규칙은
return >=> g ≡ g
f >=> return ≡ f
(f >=> g) >=> h ≡ f >=> (g >=> h)
로 표현될 수 있다.
fmap과 join
편집단위 함수와 결속 연산을 통해 모나드를 정의하는 것 이외에도, 단위 함수와 다른 두 함수를 이용해 모나드를 정의할 수 있다. 이 두 연산은 하스켈에서 fmap과 join이라 불린다. fmap의 자료형은 (t → u) → M t → M u이며, 기반 자료형간의 함수를 모나드 자료형에 맵핑하는 의미를 지닌다. join의 자료형은 M (M t) → M t이며 두 단계인 모나드 자료형을 한 단계의 모나드 자료형으로 평탄화하는 의미를 지닌다.
단위 함수와 결속 연산에 의한 정의와 단위 함수와 fmap, join에 의한 정의 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
fmap f m = m >>= (return . f)
join n = n >>= id
m >>= g ≡ join (fmap g m)
do 표기법
편집결속 연산>>=
을 프로그램에 직접 쓰는 것이 자연스러울 때도 있지만, 명령형 언어의 생김새를 닮은 표기법을 쓰는 경우가 많다. 하스켈에서는 do를 이용해 표기하며, OCaml에서는 perform을 쓴다. F#에서는 계산 식[7], 스칼라 (프로그래밍 언어)에서는 for 컴프리헨션이라고 한다. 하스켈의 컴파일러는 do 표기법을 결속 연산을 이용한 표현으로 번역하며, 그 규칙은 다음과 같다.[8]
do { x } = x
do { x ; <stmts> }
= x >> do { <stmts> }
do { v <- x ; <stmts> }
= x >>= \v -> do { <stmts> }
do { let <decls> ; <stmts> }
= let <decls> in do { <stmts> }
이 때 >>
는 x >> y = x >>= (\_ -> y)
로 정의되며, x
를 실행한 다음 그 결과를 버리고 y
를 실행하여 그 결과를 취하는 것으로 이해할 수 있다.[8]
각주
편집- ↑ 가 나 다 O'Sullivan, Bryan; Goerzen, John; Stewart, Don. Real World Haskell. O'Reilly, 2009. ch. 14.
- ↑ 가 나 다 “monad (in computer science)”. 《nLab》 (영어).
- ↑ Lippert, Eric. “Monads, part one”. 2013년 9월 6일에 확인함.
- ↑ “Why do we need monads?”. 《Stack Overflow》. 2018년 8월 2일에 확인함.
- ↑ Miran Lipovača (2011년 4월 15일). 〈12. A Fistful of Monads〉. 《Learn You a Haskell for Great Good!》. no starch press. ISBN 978-1593272838. 2018년 8월 2일에 확인함.
- ↑ “Monad laws”. 《HaskellWiki》. haskell.org. 2011년 12월 11일에 확인함.
- ↑ “계산 식(F#)”. 2018년 8월 10일에 확인함.
- ↑ 가 나 “Monads as computation”. 《HaskellWiki》. haskell.org. 2018년 8월 10일에 확인함.