상태 패턴

윤영기·2022년 11월 2일
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State Pattern

개요

Finite-state_machine 참고

모든 주어진 순간에 프로그램이 속해 있을 수 있는 상태들의 수는 유한하며, 어떤 고유한 상태 내에서든 프로그램은 다르게 행동하고 한 상태에서 다른 상태로 즉시 전환될 수 있다. 현재의 상태에 따라 프로그램은 특정 다른 상태로 전환되거나 전환되지 않을 수 있으며, 이러한 전환 규칙들을 전환들(transitions)​이라고도 하고, 이러한 규칙들 또한 유한하고 미리 결정되어 있다.

단순한 상태 머신의 단점은 코드를 보면 바로 이해할 수 있다.

class Document is
    field state: string
    // …
    method publish() is
        switch (state)
            "draft":
                state = "moderation"
                break
            "moderation":
                if (currentUser.role == "admin")
                    state = "published"
                break
            "published":
                // Do nothing.
                break
    // …

일반적으로 객체의 상태에 따라 적절한 행동들을 선택하는 많은 조건문​(if 또는 switch)​으로 구현되며, Document 클래스에 상태들과 상태에 의존하는 행동들을 추가할수록 분명해지게 된다. 그리고 프로젝트의 부피가 커질수록, transition이 발생했을 때, 메소드의 상태 조건들이 변경되어 관리가 힘들어지게 된다.

예제

조건

  • 프로그램상의 1초를 현실 세계의 1시간으로 가정
  • 금고는 1개가 있음
  • 금고는 경비센터와 접속되어 있음
  • 금고에는 비상벨과 일반통화용 전화가 접속되어 있음
  • 금고에는 시계가 설치되어 있어 현재의 시간을 감시하고 있음
  • 주간은 09:00~16:59, 야간은 17:00~23:59 및 0:00~8:59
  • 금고는 주간에만 사용할 수 있음
  • 주간에 금고를 사용하면 경비센터에 사용기록이 남음
  • 야간에 금고를 사용하면 경비센터에 비상사태로 통보
  • 비상벨은 언제나 사용할 수 있음
  • 비상벨을 사용하면 경비센터에 비상벨 통보
  • 일반통화용의 전화는 언제나 사용할 수 있음(야간은 녹음만 가능)
  • 주간에 전화를 사용하면 경비센터가 호출
  • 야간에 전화를 사용하면 경비센터의 자동응답기가 호출

예제 실행화면

State

// state.java
public interface State {
    public abstract void doClock(Context context, int hour);
    public abstract void doUse(Context context);
    public abstract void doAlarm(Context context);
    public abstract void doPhone(Context context);
}

DayState

// DayState.java
public class DayState implements State{
    private static DayState singletone = new DayState();

    public DayState() {
    }

    public static State getInstance() {
        if(singletone == null) singletone = new DayState();
        return singletone;
    }
    @Override
    public void doClock(Context context, int hour) {
        if (hour < 9 || 17 <= hour) {
            context.changeState(NightState.getInstance());
        }
    }

    @Override
    public void doUse(Context context) {
        context.recordLog("금고사용(주간)");
    }

    @Override
    public void doAlarm(Context context) {
        context.callSecurityCenter("비상벨(주간)");
    }

    @Override
    public void doPhone(Context context) {
        context.callSecurityCenter("일반통화(주간)");
    }
    public String toString() {
        return "[주간]";
    }
}

NightState

// NightState.java
public class NightState implements State{
    private static NightState singletone = new NightState();

    public NightState() {
    }
    public static State getInstance() {
        if(singletone == null)singletone = new NightState();
        return singletone;
    }

    @Override
    public void doClock(Context context, int hour) {
        if (9 <= hour && hour < 17) {
            context.changeState(DayState.getInstance());
        }
    }

    @Override
    public void doUse(Context context) {
        context.recordLog("비상: 야간금고 사용!");
    }

    @Override
    public void doAlarm(Context context) {
        context.callSecurityCenter("비상벨(야간)");
    }

    @Override
    public void doPhone(Context context) {
        context.callSecurityCenter("야간통화 녹음");
    }
    public String toString() {
        return "[야간]";
    }
}

Context

// Context.java
public interface Context {
    public abstract void setClock(int hour);
    public abstract void changeState(State state);
    public abstract void callSecurityCenter(String msg);
    public abstract void recordLog(String msg);
}

SafeFrame

// SafeFrame.java
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;

public class SafeFrame extends Frame implements ActionListener, Context {
    private final TextField textClock = new TextField(60);
    private final TextArea textScreen = new TextArea(10, 60);
    private final Button buttonUse = new Button("금고사용");
    private final Button buttonAlarm = new Button("비상벨");
    private final Button buttonPhone = new Button("일반통화");
    private final Button buttonExit = new Button("종료");

    private State state = DayState.getInstance();

    public SafeFrame(String title) throws HeadlessException {
        super(title);
        setBackground(Color.lightGray);
        setLayout(new BorderLayout());
        add(textClock, BorderLayout.NORTH);
        textClock.setEditable(false);
        add(textScreen, BorderLayout.CENTER);
        textScreen.setEditable(false);

        Panel panel = new Panel();
        panel.add(buttonUse);
        panel.add(buttonAlarm);
        panel.add(buttonPhone);
        panel.add(buttonExit);
        add(panel, BorderLayout.SOUTH);

        pack();
        show();

        buttonUse.addActionListener(this);
        buttonAlarm.addActionListener(this);
        buttonPhone.addActionListener(this);
        buttonExit.addActionListener(this);
    }

    //Event Listener Handler
    public void actionPerformed(ActionEvent event) {
        System.out.println(event.toString());
        if (event.getSource() == buttonUse) {
            state.doUse(this);
        } else if (event.getSource() == buttonAlarm) {
            state.doAlarm(this);
        } else if (event.getSource() == buttonPhone) {
            state.doPhone(this);
        } else if (event.getSource() == buttonExit) {
            System.exit(0);
        } else {
            System.out.println("?");
        }
    }

    @Override
    public void setClock(int hour) {
        String clockstring = "현재 시간은";
        if (hour < 10) {
            clockstring += "0" + hour + ":00";
        } else {
            clockstring += hour + ":00";
        }
        System.out.println(clockstring);
        textClock.setText(clockstring);
        state.doClock(this,hour);
    }
    //상태전환
    @Override
    public void changeState(State state) {
        System.out.println(this.state + "에서" + state + "로 상태가 변화했습니다.");
        this.state = state;
    }
    //경비센터의 호출
    @Override
    public void callSecurityCenter(String msg) {
        textScreen.append("call! " + msg + "\n");
    }
    //경비센터의 기록
    @Override
    public void recordLog(String msg) {
        textScreen.append("record ... " + msg + "\n");
    }
}

Main

// Main.java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SafeFrame frame = new SafeFrame("State Sample");
        while (true) {
            for (int hour = 0; hour < 24; hour++) {
                frame.setClock(hour);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e){
                }
            }
        }
    }
}

등장인물

Point

Strategy Pattern과의 차이

이 구조는 전략 패턴과 비슷해 보이지만 한 가지 중요한 차이점이 있다. 상태 패턴에서의 특정 상태들은 서로를 인식하고 한 상태에서 다른 상태로 전환을 시작할 수 있지만 전략들은 거의 대부분 서로에 대해 알지 못한다.

분할정복

복잡하고 규모가 큰 문제 혹은 프로그램은 그대로 해결하려하기보단, 우선 작은 문제로 나누고 또 나눠서 하나하나의 모듈들이 쉽게 해결가능한 수준까지 나눠 해결해야 한다.
State Pattern에서는 각각의 상태를 각각의 클래스로 표현해 문제를 분할했다. 조건과 규모가 커질수록 조건은 많아지고 분기문은 많아진다. 하지만 이번처럼 State Pattern을 사용하면 각각의 '상태'를 클래스고 표현해 복잡한 프로그램을 분할하여 효율적으로 관리할 수 있다.

상태의존

SafeFrame 클래스의 setClock메소드는 Main클래스로부터 시간이 변경될 때(반복문의 순회)마다 호출되고 있다. 그리고 이 메소드는 시간을 인자값으로받아 출력 후 state.doClock(this,hour)으로 책임을 위임하고 있다. 즉, 시간의 설정을 '현재의 상태에 의존한 처리'로 취급하고 있다는 말입니다. 즉 state는 항상 같은값이 아닌 시간이 변경되서 기준을 충족할 때마다 주간과 야간 상태클래스로 변경하기 때문.
이처럼 State Pattern에서는 '상태에 의존한 처리'를 프로그램에서 표현하는방법은 다음과 같다.

  • 추상 메소드로 선언후 인터페이스 명세(API)
  • 구현 메소드로 구현 후 각각의 클래스로 한다.

상태전환의 관리

State Pattern에서 상태전환을 어디서 관리하는지에 대해서는 고려해봐야 할 부분이다.
예제에서는 Context역할의 SafeFrame 클래스에서 상태전환 메소드(changeState)를 구현했다. 그리고 이 메소드를 호출하는 부분은 ConcreteState역할인 DayState나 NightState클래스이다. 다시말하면 예제에서는 '상태전환'을 '상태에 의존한 동작'으로 간주하고 있다. 이 방법은 장점과 단점이 있다.
장점은 상태전환의 시기를 하나의 클래스 내에서 가지고 있다는 점.

DayState 클래스가 상태전환되는 시기는 DayState 클래스 코드를 보면 된다.

단점은 하나의 ConcreteState역할이 다른 ConcreteState역할을 알아야 한다는 점입니다.

doClock메소드 context.changeState(NightState.getInstance());

이것의 문제는 클래스 사이의 의존관계를 깊게한다는 점이다.
그럼, 모든 상태전환을 Context 역할의 SafeFrame클래스에 맡길수도 있는데 이 경우 ConcreteState역할의 독립성이 높아지지만 Context가 모든 ConcreteState역할을 알아야하는 문제가 발생한다. 해결책으로는 Mediator Pattern을 쓰거나 혹은 State Pattern대신 상태의 테이블(표)를 사용해 설계하는 방식이 있다.

상태추가 is easy

State 인터페이스를 구현하는 ConcreteState 클래스를 만들어 구현하면되기에 상태추가는 어렵지 않다.
다만, 상태전환은 다른 ConcreteState 역할과 접점이 되기에 주의해야 할 필요는 있다.
그리고 완성된 State Pattern에 새로운 '상태의존의 처리'를 추가하는 것은 곤란하다. 이 말은 State 역할이 인터페이스에 메소드를 추가한다는 것을 의미하며 이를 구현하는 모든 ConcreteState역할에 구현이 필요하기 때문이다.

출처 : Java언어로 배우는 디자인 패턴 입문

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