C++ 함수 객체 | "Functor" 완벽 가이드

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C++ 함수 객체 | "Functor" 완벽 가이드

이 글의 핵심

C++ 함수 객체에 대한 실전 가이드입니다.

함수 객체란?

함수 객체 (Functor) 는 operator()를 오버로드한 클래스입니다. 함수처럼 호출할 수 있으며, 상태를 유지할 수 있어 일반 함수보다 유연합니다.

struct Adder {
    int operator()(int a, int b) const {
        return a + b;
    }
};

int main() {
    Adder add;
    
    cout << add(2, 3) << endl;  // 5
    cout << add(10, 20) << endl;  // 30
}

왜 필요한가?:

  • 상태 유지: 함수 호출 간 상태 저장
  • 인라인 최적화: 함수 포인터보다 빠름
  • STL 호환: STL 알고리즘과 함께 사용
  • 타입 안전: 컴파일 타임 타입 체크
// ❌ 함수 포인터: 상태 유지 불가
int counter = 0;
void increment() {
    counter++;
}

// ✅ 함수 객체: 상태 유지
class Counter {
    int count_ = 0;
public:
    int operator()() {
        return ++count_;
    }
};

Counter counter;
counter();  // 1
counter();  // 2

함수 객체 vs 함수 포인터:

특징함수 포인터함수 객체
상태 유지❌ 불가✅ 가능
인라인 최적화❌ 어려움✅ 가능
타입 안전✅ 있음✅ 있음
유연성❌ 낮음✅ 높음
성능느림빠름
// 함수 포인터: 간접 호출
int (*funcPtr)(int, int) = add;
funcPtr(2, 3);  // 간접 호출

// 함수 객체: 인라인 가능
Adder adder;
adder(2, 3);  // 인라인 가능

상태 유지

class Counter {
private:
    int count = 0;
    
public:
    int operator()() {
        return ++count;
    }
    
    int getCount() const {
        return count;
    }
};

int main() {
    Counter counter;
    
    cout << counter() << endl;  // 1
    cout << counter() << endl;  // 2
    cout << counter() << endl;  // 3
    
    cout << "총 호출: " << counter.getCount() << endl;
}

STL 알고리즘

#include <algorithm>

struct IsEven {
    bool operator()(int x) const {
        return x % 2 == 0;
    }
};

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    
    // count_if
    int evenCount = count_if(v.begin(), v.end(), IsEven());
    cout << "짝수 개수: " << evenCount << endl;
    
    // remove_if
    v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), IsEven()), v.end());
    
    for (int x : v) {
        cout << x << " ";  // 1 3 5
    }
}

실전 예시

예시 1: 비교 함수

struct Person {
    string name;
    int age;
};

struct CompareByAge {
    bool operator()(const Person& a, const Person& b) const {
        return a.age < b.age;
    }
};

struct CompareByName {
    bool operator()(const Person& a, const Person& b) const {
        return a.name < b.name;
    }
};

int main() {
    vector<Person> people = {
        {"Charlie", 30},
        {"Alice", 25},
        {"Bob", 35}
    };
    
    // 나이순 정렬
    sort(people.begin(), people.end(), CompareByAge());
    
    for (const auto& p : people) {
        cout << p.name << " (" << p.age << ")" << endl;
    }
}

예시 2: 필터

class RangeFilter {
private:
    int min, max;
    
public:
    RangeFilter(int min, int max) : min(min), max(max) {}
    
    bool operator()(int value) const {
        return value >= min && value <= max;
    }
};

int main() {
    vector<int> v = {1, 5, 10, 15, 20, 25, 30};
    
    // 10-20 범위
    RangeFilter filter(10, 20);
    
    auto it = find_if(v.begin(), v.end(), filter);
    if (it != v.end()) {
        cout << "첫 번째 매칭: " << *it << endl;  // 10
    }
    
    // 모두 찾기
    for (int x : v) {
        if (filter(x)) {
            cout << x << " ";
        }
    }
}

예시 3: 누적기

class Accumulator {
private:
    int sum = 0;
    
public:
    void operator()(int value) {
        sum += value;
    }
    
    int getSum() const {
        return sum;
    }
};

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    Accumulator acc = for_each(v.begin(), v.end(), Accumulator());
    
    cout << "합계: " << acc.getSum() << endl;  // 15
}

예시 4: 변환기

class Multiplier {
private:
    int factor;
    
public:
    Multiplier(int f) : factor(f) {}
    
    int operator()(int value) const {
        return value * factor;
    }
};

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    vector<int> result(v.size());
    
    transform(v.begin(), v.end(), result.begin(), Multiplier(10));
    
    for (int x : result) {
        cout << x << " ";  // 10 20 30 40 50
    }
}

표준 함수 객체

#include <functional>

int main() {
    vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5};
    
    // plus
    int sum = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, plus<int>());
    cout << sum << endl;  // 14
    
    // greater (내림차순)
    sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());
    
    for (int x : v) {
        cout << x << " ";  // 5 4 3 1 1
    }
}

함수 객체 vs 람다

// 함수 객체
struct Adder {
    int factor;
    Adder(int f) : factor(f) {}
    int operator()(int x) const { return x + factor; }
};

// 람다 (간결)
auto adder = [factor = 10](int x) { return x + factor; };

int main() {
    Adder add10(10);
    cout << add10(5) << endl;  // 15
    
    cout << adder(5) << endl;  // 15
}

함수 객체 장점:

  • 명시적 타입
  • 재사용 가능
  • 상태 관리 명확

람다 장점:

  • 간결
  • 인라인 정의
  • 타입 추론

자주 발생하는 문제

문제 1: const 누락

// ❌ const 없음
struct Adder {
    int operator()(int x) {  // const 없음
        return x + 10;
    }
};

// STL 알고리즘에서 문제 발생 가능

// ✅ const 추가
struct Adder {
    int operator()(int x) const {
        return x + 10;
    }
};

문제 2: 상태 변경

// 상태 변경 시 const 제거
class Counter {
private:
    mutable int count = 0;  // mutable
    
public:
    int operator()() const {
        return ++count;
    }
};

문제 3: 복사 비용

// ❌ 큰 상태
struct HeavyFunctor {
    vector<int> data;  // 큰 데이터
    
    int operator()(int x) const {
        // ...
    }
};

// STL 알고리즘이 복사할 수 있음

// ✅ ref 사용
HeavyFunctor heavy;
for_each(v.begin(), v.end(), ref(heavy));

실무 패턴

패턴 1: 통계 수집

class Statistics {
    int count_ = 0;
    int sum_ = 0;
    int min_ = INT_MAX;
    int max_ = INT_MIN;
    
public:
    void operator()(int value) {
        count_++;
        sum_ += value;
        min_ = std::min(min_, value);
        max_ = std::max(max_, value);
    }
    
    double average() const {
        return count_ > 0 ? static_cast<double>(sum_) / count_ : 0.0;
    }
    
    int min() const { return min_; }
    int max() const { return max_; }
    int count() const { return count_; }
};

// 사용
std::vector<int> data = {10, 20, 30, 40, 50};
Statistics stats = std::for_each(data.begin(), data.end(), Statistics());

std::cout << "평균: " << stats.average() << '\n';  // 30
std::cout << "최소: " << stats.min() << '\n';      // 10
std::cout << "최대: " << stats.max() << '\n';      // 50

패턴 2: 조건부 변환

class ConditionalTransform {
    std::function<bool(int)> predicate_;
    std::function<int(int)> transform_;
    
public:
    ConditionalTransform(
        std::function<bool(int)> pred,
        std::function<int(int)> trans
    ) : predicate_(pred), transform_(trans) {}
    
    int operator()(int value) const {
        if (predicate_(value)) {
            return transform_(value);
        }
        return value;
    }
};

// 사용
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

// 짝수만 2배
auto transformer = ConditionalTransform(
     { return x % 2 == 0; },
     { return x * 2; }
);

std::transform(v.begin(), v.end(), v.begin(), transformer);
// 결과: 1, 4, 3, 8, 5, 12

패턴 3: 캐싱 함수

template<typename Func>
class Memoized {
    Func func_;
    mutable std::map<int, int> cache_;
    
public:
    Memoized(Func func) : func_(func) {}
    
    int operator()(int x) const {
        if (auto it = cache_.find(x); it != cache_.end()) {
            return it->second;
        }
        
        int result = func_(x);
        cache_[x] = result;
        return result;
    }
};

// 사용
int fibonacci(int n) {
    if (n <= 1) return n;
    return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

Memoized<int(*)(int)> fib(fibonacci);
std::cout << fib(40) << '\n';  // 빠름 (캐시)

FAQ

Q1: 함수 객체는 언제 사용하나요?

A:

  • 상태 유지: 함수 호출 간 상태 저장
  • STL 알고리즘: sort, find_if, transform 등
  • 커스텀 비교/필터: 복잡한 로직
class RangeFilter {
    int min_, max_;
public:
    RangeFilter(int min, int max) : min_(min), max_(max) {}
    bool operator()(int x) const { return x >= min_ && x <= max_; }
};

Q2: 람다 vs 함수 객체?

A:

  • 람다: 간단한 로직, 인라인 정의
  • 함수 객체: 복잡한 로직, 재사용, 명시적 타입
// 람다: 간단
auto isEven =  { return x % 2 == 0; };

// 함수 객체: 복잡
class Statistics {
    int count_, sum_;
public:
    void operator()(int x) { count_++; sum_ += x; }
    double average() const { return sum_ / count_; }
};

Q3: 함수 객체의 성능은?

A: 인라인화로 함수 포인터보다 빠를 수 있습니다.

// 함수 포인터: 간접 호출
std::sort(v.begin(), v.end(), compareFunc);

// 함수 객체: 인라인 가능
std::sort(v.begin(), v.end(), CompareFunctor());

Q4: 함수 객체를 재사용할 수 있나요?

A: 가능합니다. 여러 알고리즘에 같은 인스턴스를 전달할 수 있습니다.

RangeFilter filter(10, 20);

auto it1 = std::find_if(v1.begin(), v1.end(), filter);
auto it2 = std::find_if(v2.begin(), v2.end(), filter);

Q5: const는 필수인가요?

A: STL 알고리즘 사용 시 권장합니다. 상태를 변경하지 않는 함수 객체는 const로 선언해야 합니다.

// ✅ const 권장
struct IsEven {
    bool operator()(int x) const {
        return x % 2 == 0;
    }
};

// 상태 변경 시 mutable
class Counter {
    mutable int count_ = 0;
public:
    int operator()() const {
        return ++count_;
    }
};

Q6: 표준 함수 객체는?

A: <functional> 헤더에 std::plus, std::minus, std::greater 등이 있습니다.

#include <functional>

std::vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5};

// plus
int sum = std::accumulate(v.begin(), v.end(), 0, std::plus<int>());

// greater (내림차순)
std::sort(v.begin(), v.end(), std::greater<int>());

Q7: 함수 객체는 템플릿으로 만들 수 있나요?

A: 가능합니다.

template<typename T>
struct Less {
    bool operator()(const T& a, const T& b) const {
        return a < b;
    }
};

std::sort(v.begin(), v.end(), Less<int>());

Q8: 함수 객체 학습 리소스는?

A:

관련 글: lambda, bind, function.

한 줄 요약: 함수 객체는 operator()를 오버로드하여 함수처럼 호출할 수 있는 클래스입니다.

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