[디자인패턴][행위패턴] 상태 State - C++

[모던 C++ 디자인 패턴] 책을 바탕으로 공부하는 내용을 정리한 내용이다.

---

State Pattern

상태에 의해 행동이 결정된다. 상태는 바뀔 수 있고, 상태를 전환시켜 주는 것을 트리거라 한다.

상태 디자인 패턴은 "상태가 동작을 제어하고, 상태는 바뀔 수 있다"는 단순한 아이디어다. 상태 변경 주체가 누구인지 규정하지 않는다.

상태 디자인 패턴은 보통 두 가지 방법이 있다. 실제로는 두 번째 방법이 더 흔히 사용된다. 첫 번째 방법은 일반적인 사고방식과 색다른 면이 있다.

• 동작을 가지는 실제 클래스로 상태를 정의한다. 상태가 이전될 때 클래스의 변화에 따라 변경된다.
• 상태와 상태 전이를 단순히 enum 타입처럼 식별자의 나열로 정의한다. 실제 상태 변화는 상태 머신이라는 특별한 컴포넌트를 두어 수행한다.

---

상태 기반 상태 전이

가장 쉬운 예인 전등을 살펴보자. 전등은 꺼짐과 켜짐 두 상태가 있다. 아무 상태로든 전이할 수 있도록 할 것이다.

여기서 상태 디자인 패턴의 전통적 구현 방식을 사용하지만, 권장하는 방법은 아님에 유의하자.

struct State {
    virtual void on(LightSwitch *ls) {
        cout << "Light is already on\n";
    }
    
    virtual void off(LightSwitch *ls) {
        cout << "Light is already off\n";
    }
};

class LightSwictch {
public:
    LightSwitch() {
        state = new OffState();
    }
    
    void set_state(State *state) {
        this->state = state;
    }
    
private:
    State *state;
};

이 구현은 직관적이지는 않다. 전등을 켜고 끄는 시나리오에서 상태를 별도의 클래스로 정의하는 것 자체가 상식적이지는 않다. 문제점을 꼽아보자.

첫 번째로 State가 추상 타입이 아니다.

두 번째로 State 자체적으로 상태 전이를 할 수 잇도록 하고 있다. 이것은 전이에 대한 상식적인 개념과 거리가 멀다.

세 번째로 State::on/off 동작은 이미 그 상태에 있다는 것을 가정하고 있다. 이는 직관적인 것을 떠나 가장 큰 문제다.

 

이제 on/off에 해당하는  State를 정해보자. 상태 스스로 상태 전환을 할 수 있게 하고 있다.

struct OnState: State {
    OnState() {
        cout << "Light tunred on\n";
    }
    
    void off(LightSwitch *ls) override {
        cout << "Switching light off...\n";
        ls->set_state(new OffState());
        delete this;
    }
};

struct OffState: State {
    OffState() {
        cout << "Light tunred off\n";
    }
    
    void on(LightSwitch *ls) override {
        cout << "Switching light on...\n";
        ls->set_state(new OnState());
        delete this;
    }
}

여기서 C++에서 일반적으로 보기 힘든 delete this; 구문을 갖는다. 이 구문은 해당 객체가 이미 생성 완료되었다는 위험한 가정을 두고 있다. 이 부분을 스마트 포인터로 사용할 수는 있겠지만 포인터의 사용과 힙 메모리 할당이 일어난다는 것 자체가 직접적 상태 소멸이 일어남을 확실히 보여준다.

 

전등 스위치를 통해 상태 전환도 가능해야 한다.

class LightSwitch {
    ...
    void on() {
        state->on(this);
    }
    
    void off() {
        state->off(this);
    }
};

아무튼 위의 접근 방식은 직관적이지 않아 좋지 않다. 목적하는 상태를 알려주면 그 상태로 바뀌는 것이 더 직관적이다. 상태가 상태를 바꾼다는 접근 방식은 전통적이긴 하지만 직관적이지 않다.

---

수작업으로 만드는 상태 머신

구식 전화기 상태머신을 정의해보자. 전화기의 상태들을 나열해 보고, 상태 간의 전이를 정의해 보자. enum class를 이용해 정의한다.

enum class State {
    off_hook, 		//< 수화기 든 상태
    connecting, 	//< 연결 시도 상태
    connected, 		//< 연결된 상태
    on_hold, 		//< 대기 상태
    on_hook 		//< 수화기 내린 상태
};

enum class Trigger {
    call_dialed, 		//< 전화 걸기
    hung_up, 			//< 전화 끊기
    call_connected, 	//< 전화 연결됨
    placed_on_hold, 	//< 대기
    take_off_hold, 		//< 대기 종료
    left_message, 		//< 메시지 남기기
    stop_using_phone 	//< 전화 사용 종료
};

상태 머신에서 상태 전이가 어떤 규칙으로 이루어져야 하는지에 대한 저보는 어딘가에 저장되어야 한다. 여기선 map을 이용한다. map의 키는 상태 전이 출발 상태이고, 값은 트리거와 도착 상태 쌍들의 집합이다.

map<State, vector<pair<Trigger, State>>> rules;

 

전이 규칙 말고 시작 상태와 종료 상태도 필요할 것이다. 이러한 준비를 기반으로 하면 상태 머신의 구동에 별도 컴포넌트를 만들지 않아도 된다. 전체적으로 관리 통제할 모듈이 필요하다.

---

Boost.MSM을 이용한 상태 머신

실 세계의 상태 머신은 훨씬 더 복잡하다. 특정 상태에 도달했을 대 어떤 동작을 수행해야 하는 경우도 있다. 조건부로 상태 전이를 해야 할 수도 있다. 어떤 상황에 대한 조건이 합치되어야만 특정 상태로의 전이가 수행되도록 통제해야 할 수도 있는 것이다.

Boost.MSM(Meta State Machine)은 Boost의 상태 머신 라이브러리로, CRTP 형태로 state_machine_def를 상속받아 사용한다.

CRTP 참고

struct PhoneStateMachine : state_machine_def<PhoneStateMachine> {
    bool angry(false);
    ...
};

angry 멤버 변수는 전화를 건 사람이 화가 나서 응답할 수 없는 상황을 표시하기 위한 것이다. 각 상태는 state 클래스를 상속받아야만 상태 머신 안에 들어갈 수 있다.

struct OffHook: state<> {};

struct Connectiong : state<> {
    template <class Event, class FSM>
    void on_entry (Entry const &evt, FSM &) {
        cout << "We are connecting ..." << endl;
    }
    
    // on_exit 생략
};

// 다른 상태 생략

특정 상태 전이를 하는 중에 수행되어야 하는 동작도 정의할 수 있다. 특별히 상속받아야 할 클래스도 없다. 특정 시그니처를 가지는 operator()를 구현해야 한다.

struct PhoneBeingDestroyed {
    template <class EVT, class FSM, class SourceState, class TargetState>
    void operator() (EVT const &, FSM &, SourceState &, TargetState &) {
        cout << "Phone breaks into a million pieces" << endl;
    }
};

마지막으로 보호 조건이 있따. 보호 조건은 상태 전이를 수행하기 전에 유효한 전이인지 아닌지 검사하는 것으로 생각할 수 있다. 이 변수를 보호 조건으로서 MSM에서 사용하기 위해서는 클래스와 operator()로 감싸야한다.

struct CanDestroyPhone {
    template <class EVT, class FSM, class SourceState, class TargetState>
    void operator() (EVT const &, FSM &, SourceState &, TargetState &) {
        return fsm.angry;
    }
};

여기서는 규칙의 정의하기 위해 Boost.MSM은 MPL(메타 프로그래밍 라이브러리)을 사용한다. 그중 mpl;::vector를 이용할 것이다.

뒤의 내용들은 생략했다.

---

요약

Boost에서 두 종류의 상태 머신 라이브러리를 지원한다는 것을 알아두자. 하나는 여기서 살펴본 Boost.MSM이고 다른 하나는 Boost.Statechart이다. Boost가 아니더라도 많은 상태 머신 라이브러리가 있을 것이다.

두 번째로 단순한 상태 머신 이상의 고차원 상태 머신들이 많이 있다는 것을 알아두자.

마지막으로 현대의 상태 머신은 과거의 전통적 상태 머신 디자인 패턴과 비교해 훨씬 진보되어 있다는 것을 알아두자.