상태 패턴(State Pattern)

uglyduck.dev·2020년 9월 29일

Term

개념 모아 🗂

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정의

어떤 행위를 수행할 때 상태에 행위를 수행하도록 위임
시스템의 각 상태를 클래스로 분리해 표현
각 클래스에서 수행하는 행위들을 메서드로 구현
외부로부터 캡슐화하기 위해 인터페이스를 생성하여 시스템의 각 상태를 나타나는 클래스로 실체화

State: 시스템의 모든 상태에 공통의 인터페이스를 제공한다. 따라서 이 인터페이스를 실체화한 어떤 상태 클래스도 기존 상태 클래스를 대신해 교체해서 사용할 수 있다.
State1, State2, State3: Context 객체가 요청한 작업을 자신의 방식으로 실제 실행한다. 대부분의 경우 다음 상태를 결정해 상태 변경을 Context 객체에 요청하는 역할도 수행한다.
Context: State를 이용하는 역할을 수행한다. 현재 시스템의 상태를 나타내는 상태 변수 (state)와 실제 시스템의 상태를 구성하는 여러 가지 변수가 있다. 또한 각 상태 클래스에서 상태 변경을 요청해 상태를 바꿀 수 있도록 하는 메서드(setState)가 제공된다. Context 요소를 구현한 클래스의 request 메서드는 실제 행위를 실행하는 대신 해당 상태 객체에 행위 실행을 위임한다.

상태 머신 다이어그램

UML에서의 상태와 상태 변화를 모델링하는 도구
바람 세기를 선택하거나 회전 등을 할 수 없고 정해진 바람 세기로만 동작하는 선풍기(단순한 기능)
사각형: 상태(state)
화살표: 전이(state transition)

상태(state)

객체가 시스템에 존재하는 동안, 즉 객체의 라이프 타임 동안 객체가 가질 수 있는 어떤 조건이나 상황

ex) 객체가 어떤 상태에 있는 동안 어떤 액티비티 등을 수행하거나 특정 이벤트 발생을 기다리는 것

시작 상태: 객체가 시작하는 처음 상태

시작 상태에서의 진입은 객체를 새로 생성하는 이벤트만 명시하거나 아예 어떤 것도 명시하지 않아야 함

상태 진입: 객체의 한 상태에서 다른 상태로 이동하는 것

특정 이벤트가 발생한 후 명세된 조건을 만족한 경우에 이루어진다.

해석

선풍기는 기본적으로 OFF 상태에서 시작한다.
OFF 상태에서 사용자가 선풍기 스위치를 켜면 switch_on 이벤트를 발생시킨다. 이때 전원이 들어온 상태라면(power_exists 조건) ON 상태로 진입한다. 이때 turnon 액션을 실행하게 된다.
OFF 상태에서 사용자가 선풍기 스위치를 켜면 switch_on 이벤트를 발생시킨다. 이때 전원이 들어오지 않은 상태라면(power_exists 조건) OFF 상태에 머무른다.
사용자가 ON 상태에서 동작 버튼을 누르면 run 이벤트를 발생시키고 WORKING 상태로 진입한다. 이때 operate 액션을 실행하게 된다.
선풍기가 ON 상태나 WORKING 상태에 머무를 때 사용자가 스위치를 끄면 switch_off 이벤트가 발생하고 이 이벤트로 인해 OFF 상태로 진입한다.

형광등 만들기

전제조건

형광등(Light 클래스)을 만들려면 형광등의 행위를 분석할 필요가 있다.
꺼져 있을 때 On 버튼을 누르면 켜지고, 켜져 있을 때 Off 버튼을 누르면 꺼진다.
만약 켜져 있는 상태에서 On 버튼을 누르면 그대로 켜져 있고, 꺼져 있는 상태에서 Off 버튼을 눌러도 아무런 변화가 없다.
OFF, ON: 형광등의 상태
off_button_pushed, on_button_pushed: 형광등의 Off 버튼과 On 버튼의 상태

private static int ON = 0;
private static int OFF = 1;

형광등의 상태를 저장하는 변수

private int state;

구현

Light 클래스

public class Light{
    private static int ON = 0; // 형광등이 켜진 상태
    private static int OFF = 1; // 형광등이 꺼진 상태
    pricate int state; // 형광등의 현재 상태
    
    public Light(){
        state = OFF; // 형광등 초기 상태는 꺼져 있는 상태임
    }
    
    public void on_button_pushed(){
        if( state == ON ){
            System.out.println("반응 없음");
        }
        else { // 형광등이 꺼져 있을 때 On 버튼을 누르면 켜진 상태로 전환
            System.out.println("Light On!");
            state = ON;
        }
    }
    
    public void off_button_pushed(){
        if( state == OFF) {
            System.out.println("반응 없음");
        }
        else { // 형광등이 켜져 있을 때 OFF 버튼을 누르면 꺼진 상태로 전환됨
            System.out.println("Light Off!");
            state = OFF;
        }
    }
}

Client 클래스

public class Client{
    public static void main(String[] args){
        Light light = new Light();
        light.off(); // 반응 없음
        light.on();
        light.off();
    }
}

문제점

형광등에 새로운 상태를 추가할 떄, 가령 형광등에 '취침등' 상태를 추가하려면?

설계

취침등 상태를 나타내는 상수인 SLEEPING를 추가

private static int SLEEPING = 2;

on_button_pushed 상태와 off_button_pushed 메서드 안에서 현재 상태 값이 SLEEPING 변수 값과 같은지를 검사하고 값이 같다면 요구사항에 맞게 수정

public void on_button_pushed(){
    if(state == ON) { // 형광등이 켜져 있는 경우에 On 버튼을 누르면 취침등 상태로 전환됨
        System.out.println("취침등 상태");
        state = SLEEPING;
    }
    else if(state == SLEEPING) { // 형광등이 취침등 상태에 있는 경우
        System.out.println("Light On!"); // On 버튼을 누르면 켜진 상태로 전환됨
        state = ON;
    }
    else { // 상태가 꺼져 있는 경우에 On 버튼을 누르면 켜진 상태로 전환됨
        System.out.println("Light On!");
        state = ON;
    }
}

요구사항 반영

public class Light{
    private static int ON = 0;
    private static int OFF = 1;
    private static int SLEEPING = 2;
    private int state;
    
    public Light(){
        state = OFF; // 초기 상태는 형광등이 꺼져 있는 상태
    }
    
    public void off_button_pushed(){
        if(state == OFF) { // 형광등이 꺼져 있는 경우에 OFF 버튼을 누르면 상태 전환 없음
            System.out.println("반응 없음");
        }
        else if(state == SLEEPING) { // 형광등이 취침등 상태에 있는 경우
            System.out.println("Light OFF!"); // Off 버튼을 누르면 OFF로 전환됨
            state = OFF;
        }
        else {
            System.out.println("Light Off!");
            state = OFF;
        }
    }
}

public void on_button_pushed(){
    if(state == ON){ // 형광등이 켜져 있는 경우에 On 버튼을 누르면 취침등 상태로 전환됨
        System.out.println("취침등 상태");
        state = SLEEPING;
    } 
    else if(state == SLEEPING){ // 형광등이 취침등 상태에 있는 경우
        System.out.println("Light On!");
        state = ON;
    }
    else { // 꺼져 있는 상태라면 On 버튼을 눌렀을 때 켜진 상태로 전환됨
        System.out.println("Light On!");
        state = ON;
    }
}

새로운 상태가 추가되는 경우에 상태 변화를 초래하는 모든 메서드에 이를 반영하기 위해 코드 수정은 불가피함

해결책

무엇이 변하는가?
변하는 것에 따른 캡슐화
상태 변화에 독립적으로 코드를 수정하는게 목표
상태를 클래스로 분리
의존적인 행위도 상태 클래스에 두어 특정 상태에 따른 행위 구현

개선된 설계, 구현

스트래티지 패턴과 구조가 매우 흡사함
Light 클래스에서 구체적인 상태 클래스가 아닌 추상화된 State 인터페이스만 참조하므로 현재 어떤 상태에 있는지와 무관하게 코드를 작성할 수 있음
Light 클래스에서는 상태 클래스 작업만 위임하면 됨

State 인터페이스

interface State{
    public void on_button_pushed(Light light);
    public void off_button_pushed(Light light);
}

ON 클래스

public class ON implements State{
    public void on_button_pushed(Light light){
        System.out.println("반응 없음");
    }
    
    public void off_button_pushed(Light light){
        System.out.println("Light Off!");
        light.setState(new OFF(light));
    }
}

OFF 클래스

public class OFF implements State{
    public void on_button_pushed(Light light){
        System.out.println("Light On!");
        light.setState(new ON(light));
    }
    
    public void off_button_pushed(Light light){
        System.out.println("반응 없음");
    }
}

Light 클래스

public class Light{
    private State state;
    
    public Light(){
        state = new OFF();
    }
    
    public void setState(State state){
        this.state = state;
    }
    
    public void on_button_pushed(){
        state.on_button_pushed(this);
    }
    
    public void off_button_pushed(){
        state.off_button_pushed(this);
    }
}

state 변수를 통해 현재 시스템의 상태 객체를 참조
Light 클래스는 시스템이 어떤 상태에 있는지 무관

현 코드의 문제점

상태 변화가 생길 때마다 새로운 상태 객체 생성
- 메모리 낭비, 성능 저하 야기

개선된 싱글턴 패턴 ON, OFF 클래스로의 변경

ON 클래스

public class ON implements State{
    private static ON on = new ON(); // ON 클래스의 인스턴스로 초기화됨
    private ON() { }
    
    public static ON getInstance() { // 초기화된 ON 클래스의 인스턴스를 반환함
        return on;
    }
    
    public void on_button_pushed(Light light){ // ON 상태일 때 On 버튼을 눌러도 변화 없음
        System.out.println("반응 없음");
    }
    
    public void off_button_pushed(Light light){
        light.setState(OFF.getInstance());
        System.out.println("Light Off!");
    }
}

OFF 클래스

public class OFF implements State{
    private static OFF off = new OFF(); // OFF 클래스의 인스턴스로 초기화됨
    private OFF() { }
    
    public static OFF getInstance() { // 초기화된 OFF 클래스의 인스턴스를 반환함
        return off;
    }
    
    public void on_button_pushed(Light light){ // Off 상태일 때 On 버튼을 눌러도 On 상태임
        light.setState(ON.getInstance());
        System.out.println("Light On!");
    }
    
    public void off_button_pushed(Light light){ // Off 상태일 때 Off 버튼을 눌러도 변화 없음
        System.out.println("반응 없음");
    }
}