[Design Pattern] 상태 패턴 (State Pattern)
카테고리: Design Pattern
State Pattern 이란?
상태 패턴은 특정 상태에 따라 다른 행위를 하는 상황에서 상태를 조건문으로 나누는 것 대신, 상태를 객체화 하여 상태가 행동을 할 수 있도록 위임하는 패턴을 말합니다.
이 패턴의 장점은, 상태를 객체화 해서, 상태를 추가하거나, 상태를 수정하는데 용이하다는 것이 있습니다. 물론 이 과정에서 다른 상태에 영향을 주지 않습니다.
패턴의 사용 시기
- 객체가 상태에 따라 다른 행동을 할 때
- 상태 및 전환에 대규모 조건문이 걸려있을 경우
- 런타임에서 상태가 유동적으로 바뀌어야 하는 경우
패턴의 장점
- 복잡한 상태를 캡슐화해서 개별 클래스로 관리할 수 있음
- 상태에 대한 내용을 클래스로 관리하면서, 복잡도를 낮춤
- 단일책임원칙, 개방폐쇄원칙 을 준수할 수 있음
패턴의 단점
- 상태마다의 클래스가 생기기 때문에, 관리해야 할 클래스가 늘어남
- 객체의 상태가 많이 없거나, 상태변환이 자주 일어나지 않는경우에는 복잡도만 증가함
예제
State Pattern 은 상태의 변환에 유동적으로 대처하기 위해 나온 패턴입니다.
이번에 다뤄볼 예제는 껌볼 머신을 상태별로 구분해서, 껌볼을 뽑는 기계를 만들어 봅니다.
상태의 흐름도는 다음과 같습니다.
일단 어떤 조건에 따라서 상태가 분기 되기 때문에, if 문 또는 switch ~ case 문으로 해당 알고리즘을 작성하게 되면, 처음 만들때는 쉬울 수 있으나, 상태가 추가되거나, 조건이 변경될 때 변경에 용이하지 않습니다. 또한, 운좋게 변경했다 하더라도, 시간이 매우 많이 걸리고, 다른사람이 코드를 보게 되면 한숨을 자아내게 됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위해, State Pattern을 가지고 알고리즘을 구현 합니다.
상태 Interface 작성
우선, 상태라는 공통적인 인터페이스를 만듭니다.
이번에 구현하는 예제는 동전을 넣는다, 동전을 반환한다, 손잡이를 돌린다, 껌볼이 나온다, 껌볼을 채운다 의 행동을 합니다.\
🗅 interface State
package src.state.gumballstate;
public interface State {
//동전을 넣는다
void insertQuater();
//동전을 반환함
void ejectQuater();
//손잡이를 돌린다
void turnCrank();
//껌볼이 나온다
void dispense();
//껌볼을 다시 채운다
public void refill();
}
상태머신 만들기
이제 이 상태들을 제어할 State Machine을 제작 합니다. 해당 상태머신은 모든 상태들을 다 가지고 있고, 상태들을 전환하거나, 상태를 반환하는 역할을 합니다.
객체의 상태는 위의 다이어그램에서 정의 했듯, 동전이 있는 상태, 알맹이를 판매한 상태, 동전이 없는 상태, 알맹이가 매진된 상태로 정의 합니다.
우선 StateMachine을 만들고, 각 상태들을 만들도록 하겠습니다.
🗅 class GumballMachine
package src.state.gumballstate;
public class GumballMachine {
//상태들 선언
private State soldState;
private State soldOutState;
private State noQuarterState;
private State hasQuarterState;
//현재 상태 선언
private State state;
int count = 0;
public GumballMachine(int numberGumballs) {
soldOutState = new SoldOutState(this);
noQuarterState = new NoQuaterState(this);
hasQuarterState = new HasQuaterState(this);
soldState = new SoldState(this);
this.count = numberGumballs;
if (numberGumballs > 0) {
state = noQuarterState;
} else {
state = soldOutState;
}
}
public void insertQuater(){
state.insertQuater();
}
//꺼내다
public void ejectQuater(){
state.ejectQuater();
}
//돌리다
public void turnCrank(){
state.turnCrank();
state.dispense();//분배하다
}
//나오다
public void releaseBall() {
System.out.println("슬롯에서 알맹이가 나오는 중입니다.");
if (count != 0) {
count = count - 1;
}
}
public void refill(int _count){
this.count += _count;
System.out.println("껌볼이 리필됨. 현재 검볼 : "+ _count);
state.refill();
}
public int getCount(){
return count;
}
public State getState(){
return state;
}
public void setState(State state){
this.state = state;
}
public State getSoldState(){
return soldState;
}
public State getSoldOutState(){
return soldOutState;
}
public State getNoQuarterState(){
return noQuarterState;
}
public State getHasQuarterState(){
return hasQuarterState;
}
public String toString(){
StringBuffer result = new StringBuffer();
result.append("\n주식회사 왕뽑기");
result.append("\n2024년형 뽑기 기계");
result.append("\n남은 갯수: "+ count + " 개");
result.append("\n");
result.append("\n현재 상태는 "+ state +"\n");
return result.toString();
}
}
각 상태들 구현 하기
이제 위에서 정의했던, State 를 상속받아서 구체적인 상태를 구현하는 구현 클래스를 만듭니다.
각 상태는 어떤 행동 시에 어떤 State로 이동할지에 대한 상태 전이를 정의 합니다. 그러기 위해서 생성자에서 모든 상태들을 가지고, getter로 상태들을 반환하는 GumballMachine 을 DI 해줍니다.
동전이 있는 상태
🗅 class HasQuaterState
package src.state.gumballstate;
public class HasQuaterState implements State {
private GumballMachine gumballMachine = null;
public HasQuaterState(GumballMachine _gumballMachine) {
this.gumballMachine = _gumballMachine;
}
//동전 넣기
@Override
public void insertQuater() {
System.out.println("동전을 또 넣을 수 없습니다");
}
//동전 반환하기
@Override
public void ejectQuater() {
System.out.println("동전이 반환되었습니다");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
}
//손잡이 돌리기
@Override
public void turnCrank() {
System.out.println("손잡이를 돌렸습니다...");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getSoldOutState());
}
//껌볼 내보내기
@Override
public void dispense() {
System.out.println("껌볼이 나오지 않았습니다");
}
public void refill(){
}
public String toString(){
return "손잡이를 돌리기 기다리는 중";
}
}
동전이 없는 상태
🗅 class NoQuaterState
package src.state.gumballstate;
public class NoQuaterState implements State{
private GumballMachine gumballMachine = null;
public NoQuaterState (GumballMachine gumballMachine){
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
@Override
public void insertQuater() {
System.out.println("동전을 넣으셨습니다.");
gumballMachine.setState(gumballMachine.getHasQuarterState());
}
@Override
public void ejectQuater() {
System.out.println("동전을 넣지 않았습니다");
}
@Override
public void turnCrank() {
System.out.println("손잡이를 돌렸지만, 동전이 없습니다");
}
@Override
public void dispense() {
System.out.println("먼저 돈을 넣어야 합니다");
}
public void refill(){
}
public String toString(){
return "동전을 기다리는 중";
}
}
껌볼을 꺼낸 상태
🗅 class SoldState
package src.state.gumballstate;
public class SoldState implements State{
private GumballMachine gumballMachine = null;
public SoldState(GumballMachine gumballMachine){
this.gumballMachine = gumballMachine;
}
@Override
public void insertQuater() {
System.out.println("잠깐만 기다려 주세요. 알맹이가 나가고 있습니다.");
}
@Override
public void ejectQuater() {
System.out.println("이미 알맹이를 뽑았습니다.");
}
@Override
public void turnCrank() {
System.out.println("손잡이는 한번만 돌려주세요.");
}
@Override
public void dispense() {
gumballMachine.releaseBall();
if(gumballMachine.getCount()>0){
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
}
else{
System.out.println("이런, 껌볼이 다 떨어졌습니다!");
}
}
@Override
public void refill() {
}
public String toString(){
return "껌볼을 내보내는 중";
}
}
껌볼이 매진된 상태
🗅 class SoldOutState
package src.state.gumballstate;
public class SoldOutState implements State{
private GumballMachine gumballMachine = null;
public SoldOutState(GumballMachine _gumballMachine){
this.gumballMachine = _gumballMachine;
}
@Override
public void insertQuater() {
System.out.println("껌볼이 다 떨어져서 동전을 넣을 수 없습니다");
}
@Override
public void ejectQuater() {
System.out.println("동전을 넣지 않았기 때문에 반환할 수 없습니다");
}
@Override
public void turnCrank() {
System.out.println("손잡이를 돌렸지만, 껌볼이 없습니다");
}
@Override
public void dispense() {
System.out.println("껌볼이 나오지 않았습니다");
}
@Override
public void refill() {
gumballMachine.setState(gumballMachine.getNoQuarterState());
}
public String toString(){
return "껌볼이 다 떨어졌습니다.";
}
}
Main 에서 실행하기
이제 상태머신을 생성하고, 알맹이의 갯수에 대한 정보를 생성자를 통해 설정 합니다. 그러면, GumballMachine의 생성자에서 조건문을 통해 지금 현재 상태가 결정이 됩니다.
결정된 현재 상태에 따라 insertQuater, turnCrank 등의 함수가 호출되며, 로직이 진행이 됩니다. 그러면서 알맹이가 점점 줄어들고, 결국은 매진된 상태로 상태가 전이되며, 껌볼 머신의 작동이 중지가 됩니다.
(refill() 이라는 메서드를 통해서 껌볼을 더 넣어주지만 넣지 않으면 매진 상태로 종료되게 됩니다)
🗅 class Main
package src.state.gumballstate;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
GumballMachine gumballMachine = new GumballMachine(2);
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuater();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
gumballMachine.insertQuater();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.insertQuater();
gumballMachine.turnCrank();
gumballMachine.refill(5);
gumballMachine.insertQuater();
gumballMachine.turnCrank();
System.out.println(gumballMachine);
}
}
정리
저는 현재 주로 Unity를 통해서 게임을 개발하고 있습니다. 게임을 개발할 때, 상태 패턴은 많이 쓰이는 패턴 중 하나 입니다. 복잡한 플레이어 컨트롤 또는 보스AI 를 구현할 때 자주 사용합니다.
또한 Unity의 Animator Controller 또한 상태머신으로 구현되어 있습니다. 상태를 정의하고, 어떤 조건에서 다른 상태로 전이 될지만 정해주면 알아서 돌아가도록 만들어져 있습니다.
상태패턴을 사용하여 상태를 구현하게 되면, 개방폐쇄원칙 (OCP)를 지키게 됩니다. 특별한 경우가 아니고선, 새로운 기능이 추가될 때, 기존의 State들은 수정하지 않으면서, State를 상속받는 새로운 State만 구현하고, StateMachine에 추가만 해주면 됩니다.
처음 유니티로 AI 를 구현할 때, if 문 떡칠로 구현했던 적이 있습니다. 간단한 로직이었는데도, 구현하기가 상당히 까다로웠습니다. 상태패턴을 공부하고 적용한 후로 구조는 좀더 복잡해 졌지만, 한번 만들어놓으면 상대적으로 복잡한 상태들을 최소한의 오류로 개발할 수 있게 되었습니다.
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