Observer 패턴 with C++

copyrat90·2022년 5월 4일
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Creepy Castle PortLog

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(원문) Game Programming Patterns - Observer
(번역) 디자인 패턴 다시 보기 : 관찰자 패턴

게임 개발하다가 필요해서 위 링크된 글을 참고해 Observer 패턴을 구현해봤다.
진행하며 사고한 과정을 정리해 글로 써본다.

프로젝트 설명

시리즈 첫글이니까 프로젝트 설명을 간략히 써야겠다.

요새 재미로 Creepy Castle이라는 인디게임GBA로 포팅 중이다.
GBA는 임베디드 시스템이니까 I/O Register에 Address 넣는 방식으로 코딩하는 것... 은 아니고.
그런 동작을 High-level API로 잘 추상화해놓은 Butano engine을 사용하는 중이다.

언어는 C++20을 사용하고, Heap 메모리 사용은 최대한 피해야 하는 환경이다.
SDL/SFML급의 추상화된 API를 제공하지만, 하드웨어 제약사항을 항상 생각하며 코딩해야한다.
(예를 들어, 할당해 쓸 수 있는 스택+힙 메모리가 고작 288 KiB 뿐이다...)

Observer 패턴 도입 배경

커플링(coupling)

아래와 같이 주인공이 적을 때리는 상황을 생각해보자.
(참고로 이건 원본 게임 스샷이다. 포팅본은 UI도 채 안 만들었다.)

적을 때리면, 우측 상단 UI에 보이는 몹 이름몹의 HP가 업데이트된다.
때리는 순간, UI를 그리는 객체마지막으로 때린 몹 객체를 찾아 이름과 HP를 읽어 UI를 다시 그려야 한다.

단순히 생각하면, 배틀 시스템 관련 코드에서 UI를 업데이트하는 함수를 호출할 수도 있다.
하지만 그러면, 배틀 시스템UI라는 서로 큰 관계가 없는 두 객체가 커플링(coupling)된다.
이런 식으로 이것저것 커플링하다보면, 게임 시스템 전체가 서로서로를 호출하는 엉망진창 스파게티 구조가 될 것이다.

커플링 제거

이럴 때 Observer 디자인 패턴을 도입하면, 커플링을 제거할 수 있다.
우선 배틀 시스템은 UI는 신경쓰지 않고, 몹 객체의 HP를 떨어뜨리는 함수를 호출한다.
해당 몹 객체는 자신의 상태가 변화하였으므로, 멤버 함수 notify()를 호출해 자신의 상태가 변했음을 알린다.
UI 객체는 모든 몹 객체를 관찰하고 있다가, notify()가 호출되어 HP 떨어진 몹을 알게 되면, 이에 맞춰 UI를 다시 그린다.

아니 그러면 모든 몹 객체랑 UI가 커플링된거 아닌가? 싶을 것이다.
몹 객체는 UI 클래스의 구조 전체를 아는 것이 아니라, 자신의 notify()가 호출될 때 UI에서 호출해야 하는 이벤트 핸들러 멤버 함수 딱 1개만을 아는 것이다.
나중에 코드를 보면 알겠지만, Enemy class는 UI class를 include 하지 않고, IObserver 인터페이스만 include한다.

Observer 패턴 구현

우선, 각 몹 객체는 IObservable을 상속받는다. (GPP 책의 Subject이다. 이름은 C#에서 따와 바꿨다.)
그리고 UI는 IObserver를 상속받는다. (얘는 그대로 Observer이다.)

IObserver는 관찰하고 싶은 IObservable에 자기 자신을 등록한다. 이를 구독한다고 한다.
IObservable은 위처럼 자신을 구독중인 IObserver들을 연결 리스트로 저장해둔다.
그리고 자신의 상태가 변하면(즉, 이벤트가 발생하면), 멤버 함수 notify()를 호출한다.
notify()는 연결 리스트를 순회하며 모든 관찰자의 onNotify() 함수를 호출한다(Callback).

0차 시도

맨 처음으로는 사실 인터페이스가 아니라 멤버 함수를 std::function<void(EventArgs)>을 저장하는 연결 리스트에 람다로 묶어 저장하도록 짰는데...
이상하게 람다식을 컨테이너에 저장해뒀다 호출하는 코드가 GBA를 하얗게 질리게 만들었다.
PC 환경에서는 작동하는 코드인데...
어쨌든 안되는걸 어쩌랴, 그냥 GPP 책의 방법을 따라 인터페이스로 만들기로 했다.

1차 시도

1차 시도 GitHub 커밋

일단 위에 써놓은 그대로 구현했는데, notify(EventArg e)로 인자를 고정시켰다.
그리고 연결 리스트를 bn::list<IObserver*, MAX_OBSERVERS> 로 선언했다.
(연결 리스트인데 최대 개수가 제한되는 이유는, Butano 제공 컨테이너는 환경상 Heap을 안쓰기 때문이다.)

한가지 GPP 글과 다르게 구현된 점은, IObserverIObservable의 포인터와 연결 리스트 반복자까지 저장하고 있다는 점이다.
이래야만 특정 대상을 구독 해제하고 싶을 때, 반복자를 써서 O(1)O(1)에 해제할 수 있기 때문.

이 코드는 이런 식으로 사용된다.

문제점 1. notify(EventArg e)로 인자가 고정됨

EventArg는 단순 enum이다.
마치 SIGNAL처럼, 그저 어떤 이벤트가 발생했는지만 알 수 있을 뿐, 상세 정보는 알 수가 없다.
(예를 들어 데미지량, 몹 이름 등을 알아낼 수가 없다.)
게다가 게임의 모든 SIGNAL이 전부 EventArg이므로, enum 하나가 무진장 비대해진다.

그렇다면 EventArg를 class로 만들고 파생 클래스를 통해 다양한 정보를 전달받는 방법은 어떨까?
이러면 어떤 이벤트가 발생했는지 알려면 dynamic_cast를 해야하고, 파생 클래스가 우후죽순 난립할 수 있는게 문제다.

이 문제점을 해결하려면, EventArg 타입을 고정하는 대신 템플릿 인자<EArg>로 전달해
IObserver<EArg>, IObservable<EArg> 처럼 하면 된다. C#이 이렇게 하고 있다.
이러면 상황에 따라 EArg를 enum으로 할 수도, class로 할 수도 있다.

문제점 2. bn::list<T, MaxSize>의 크기 상한 고정

몇번이고 말했듯이 Butano 컨테이너는 Heap을 안 써서, 크기가 고정이다.
이로 인해 2가지 문제점이 생긴다.

  1. 관찰자가 저장 중인, 대상의 포인터와 연결 리스트 반복자 목록의 크기가 고정이라,
    모든 관찰자가 고정 크기의 대상보다 많이 관찰을 못한다.
  2. 대상이 저장 중인, 관찰자들의 연결 리스트의 크기가 고정이라, 모든 대상이 고정 크기 이상의 관찰자에게 관찰당할 수 없다.

크기를 작게 잡으면, 게임 내 수많은 몹들을 담아야하는 UI 클래스 관찰자가 공간 부족으로 터질 것이고,
크기를 크게 잡으면, 끽해야 1~2개 저장하는 관찰자도 메모리를 심하게 잡아먹을 것이다.

대상도 관찰자의 리스트를 관리하고, 관찰자도 대상의 리스트를 관리하므로, intrusive list는 사용 불가능하다.
이 문제를 해결하려면, 리스트 노드 Object Pool을 만들어 노드를 재사용해야하는데... 너무 복잡해진다.
일단 이 문제의 해결은 당장은 보류해야겠다. 메모리 부족해지면 그때 가서 하지 뭐...

2차 시도

2차 시도 GitHub 커밋

1차 시도의 문제점 1을 해결.
IObservable<EArg>, IObserver<EArg>처럼 템플릿으로 고쳤다.

템플릿이라서 구현부를 헤더로 합쳐야 하는데, 두 개의 템플릿이 서로의 멤버 함수를 참조해야 하기 때문에,
하나만 쓰고 싶어도 무조건 둘 다 include 해야해서, 그냥 2개 헤더를 하나로 합쳤다.

이제 EArg로 enum뿐만 아니라 class도 받을 수 있어, 다양한 형태의 이벤트 정보를 전달하는 것이 가능해졌다.

게다가 서로 다른 EArg를 갖는 여러 대상을 관찰하는 것도 가능하다.
IObserver<A>, IObserver<B>다중 상속받아 관찰하면 된다.
다만 이때는 observe() 함수가 자동적으로 오버로딩되지는 않기 때문에, 이런 식으로 using 선언을 해줘야한다.

비슷하게, 하나의 대상이 여러 EArg의 이벤트를 발생시키도록 다중 상속할 수도 있을 것이다.
다만, A, B타입의 이벤트를 발생시키는 대상을 A, B타입의 이벤트를 관찰하는 관찰자로 관찰하는 것은
observe()가 모호한 호출이 되므로 불가능하다.

문제점 1. 대상을 삭제하는데 O(N)O(N) 소요

관찰자가, 대상의 관찰자 리스트의 반복자를 갖고 있으므로, 관찰자의 삭제는 O(1)O(1)에 가능하다.
하지만, 이를 위해 관찰자는 대상의 반복자와 포인터를 별도 리스트에 관리해야하고, 대상이 삭제될 때는 이 2개를 모두 삭제해야 한다.
그러려면 인덱싱이 필수여서, bn::vector를 사용하게 되고, 배열의 원소를 찾아 지우는 건 O(N)O(N)이 소요된다.

실제 게임 시스템에 적용

(나중에 시스템 구현에 적용되면 수정할 예정)

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요새 알고리즘 문제 푸는 초보A

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