[디자인 패턴] 상태(State) 패턴

상태 패턴이란 행위 패턴 중 하나로, 객체가 특정 상태에 따라 동작을 다르게 하는 상황에서 조건문으로 분기하는 대신 상태 자체를 객체화하여 행동 결정을 위임하는 패턴을 말한다. 상태란 객체가 가질 수 있는 어떤 조건이나 상황을 말한다. 주로 다음과 같은 경우에 사용한다. 

 

1. 객체의 행동이 상태에 따라 달라질 때

2. 객체의 코드가 상태 전환에 따른 조건문으로 복잡해질 때

 

상태 클래스는 상태에 따라 행동을 구현하고, 객체는 그 상태를 가지며 상태에 따라 적절한 행동을 취한다. 예를 들어, 자판기는 돈이 충분히 들어오지 않으면 버튼이 활성화되지 않는다. 자판기는 돈이 들어온 상태와, 돈이 들어오지 않은 상태에 따라 행위가 달라진다. 

 

 

// 상태 인터페이스
interface VendingMachineState {
    void insertCoin();
    void ejectCoin();
    void dispense();
}

 

// 상태 구현 클래스
// 돈이 들어오지 않은 상태
class NoCoinState implements VendingMachineState {
    @Override
    public void insertCoin() {
        System.out.println("입금되었습니다. HasCoinState 상태로 전환합니다.");
        // HasCoinState 상태로 전환함
        vendingMachine.setState(new HasCoinState());
    }

    @Override
    public void ejectCoin() {
        System.out.println("잔돈 없음.");
    }

    @Override
    public void dispense() {
        System.out.println("입금되지 않은 상태: 먼저 입금해주세요.");
    }
}

class HasCoinState implements VendingMachineState {
    // 돈이 들어온 상태의 행동을 정의한다.
}

 

// 상태를 가진 객체
class VendingMachine {
	// 상태를 멤버 필드로 가지고 있음.
    private VendingMachineState currentState;

    public VendingMachine() {
        // 초기 상태 설정
        currentState = new NoCoinState();
    }

    // 상태 변경
    public void setState(VendingMachineState state) {
        this.currentState = state;
    }

    // 동작을 현재 상태에 위임
    public void insertCoin() {
        currentState.insertCoin();
    }

    public void ejectCoin() {
        currentState.ejectCoin();
    }

    public void dispense() {
        currentState.dispense();
    }
}

 

 

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        VendingMachine vendingMachine = new VendingMachine();

        vendingMachine.insertCoin(); // 입금되었습니다. HasCoinState 상태로 전환합니다.
        vendingMachine.ejectCoin();  // 잔돈이 나옵니다.
        
        vendingMachine.dispense();   // 입금되지 않은 상태: 먼저 입금해주세요.
        vendingMachine.insertCoin(); // 입금되었습니다. HasCoinState 상태로 전환합니다.
        vendingMachine.dispense();   // 음료가 나옵니다. NoCoinState 상태로 전환합니다.
    }
}

 

 

자판기는 돈을 가진 상태(`HasCoinState`)와 돈이 없는 상태(`NoCoinState`) 두가지 상태를 가질 수 있다. 같은 행위를 구현하되, 상태에 따라 다른 행동을 한다. 상기 자판기 코드에서는 두 상태 모두 `insertCoin()` `ejectCoin()` `dispense()`를 구현하지만 상태에 따라 행위가 다르게 오버라이딩 되어있다. `NoCoinState`  상태에서는 `dispense()` 메서드를 사용하더라도 입금되지 않은 상태이므로 음료가 나오지 않는다. 반면에 `HasCoinState` 상태라면 같은 `dispense()` 메서드를 사용해도 음료가 나온다. 만약 상태 없이 모든 상황을 구현하려 했다면 코드가 길고 복잡해졌을 것이다.

 

 

if(money - selectBaverage < 0){
	System.out.println("잔액이 부족합니다.");
}else{
	System.out.println("음료가 나옵니다.");
}

if(currentMoney > 0){
	System.out.println("거스름돈이 나옵니다.");
}else{
	System.our.println("거스름돈이 없습니다.");
}

.
.
.

 

 

실제로 상태가 많아진다면 조건문은 더 복잡해지고 코드는 걷잡을 수 없이 길어지게 된다. 이처럼 가독성이 떨어지는 조건문 대신 상태 패턴을 사용하면 유지보수가 용이해진다.

 

 

정수모드, 온수모드, 냉수모드, 어린이 보호 모드, 청소 모드, 얼음 유무의 여러 상태를 가지고 있는 정수기를 코드로 작성한다면 다음과 같다.

 

//	상태 인터페이스
interface WaterMode {
    void dispenseWater();
    void dispenseIce();

}

//	상태 구현
class HotWaterMode implements WaterMode{
    @Override
    public void dispenseWater() {
        System.out.println("온수가 나옵니다.");
    }

    @Override
    public void dispenseIce() {
        System.out.println("얼음이 나옵니다.");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "온수 모드";
    }

}

class ColdWaterMode implements WaterMode {
    @Override
    public void dispenseWater() {
        System.out.println("냉수가 나옵니다.");
    }

    @Override
    public void dispenseIce() {
        System.out.println("얼음이 나옵니다.");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "냉수 모드";
    }
}

class PurifiedWaterMode implements WaterMode {

    @Override
    public void dispenseWater() {
        System.out.println("정수가 나옵니다.");
    }

    @Override
    public void dispenseIce() {
        System.out.println("얼음이 나옵니다.");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "정수 모드";
    }
}
class CleanMode implements WaterMode {
    @Override
    public void dispenseWater() {
        System.out.println("청소가 진행 중이므로 물이 나오지 않습니다.");
    }

    @Override
    public void dispenseIce() {
        System.out.println("청소가 진행 중이므로 얼음이 나오지 않습니다.");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "청소 모드";
    }
}

 

 

class WaterDispenser implements WaterMode{
    public WaterMode waterMode;
    public boolean childProtectMode;

    public WaterDispenser(WaterMode waterMode, boolean childProtect) {
        this.waterMode = waterMode;
        this.childProtectMode = childProtect;
    }


    @Override
    public void dispenseWater() {
        waterMode.dispenseWater();
    }

    @Override
    public void dispenseIce() {
        waterMode.dispenseIce();
    }

    public void setWaterMode(WaterMode newMode){
        if(childProtectMode && newMode instanceof HotWaterMode) {
            System.out.println("어린이 모드 활성화 : 온수 모드로 전환할 수 없습니다.");
        }else{
            this.waterMode = newMode;
            System.out.println(newMode + "로 전환합니다.");
        }
    }

    public void setChildProtectMode(Boolean childProtectMode){
        System.out.println("어린이 모드를" + (childProtectMode ? " " : " 비") + "활성화합니다.");
        this.childProtectMode = childProtectMode;
    }
}

 

 

//	클라이언트 코드
public class main {

    public static void main(String[] args) {
        WaterDispenser waterDispenser = new WaterDispenser(new ColdWaterMode(), true);

        waterDispenser.dispenseWater();     //  냉수가 나옵니다.
        waterDispenser.dispenseIce();       //  얼음이 나옵니다.

        //  정수 모드로 전환
        waterDispenser.setWaterMode(new PurifiedWaterMode());

        waterDispenser.dispenseWater();     //  정수가 나옵니다.
        waterDispenser.setChildProtectMode(true);   //  어린이 모드를 활성화합니다.

        waterDispenser.setWaterMode(new HotWaterMode());    //  어린이 모드: 온수 모드로 전환할 수 없습니다.

        waterDispenser.dispenseIce();   //  얼음이 나옵니다.

        //  청소 모드로 전환
        waterDispenser.setWaterMode(new CleanMode());

        waterDispenser.dispenseWater();     //  청소가 진행 중이므로 물이 나오지 않습니다.
        waterDispenser.dispenseIce();       //  청소가 진행 중이므로 얼음이 나오지 않습니다.

        waterDispenser.setChildProtectMode(false);

        //  온수 모드로 전환
        waterDispenser.setWaterMode(new HotWaterMode());

        waterDispenser.dispenseWater();     //  온수가 나옵니다.

    }
}

 

 

정수기 객체가 상태에 따라 행위가 달라지고 있으므로 마치 다른 객체로 변경되는 것처럼 보인다. 이처럼 상태 패턴을 사용하면 객체 패턴이 상태에 따라 하나의 객체로 각기 다른 동작을 수행할 수 있다. 

 

📌 참고

상기 코드에서 상태를 변경할 때마다 매번 new 생성자를 사용하여 객체를 생성하였으나 실제 실행 중에 객체 생성을 남발하는 것은 가비지 컬렉터의 객체 제거 과정에서 Stop-the-world를 유발시킬 수 있다. 따라서 상태 객체를 싱글톤 패턴으로 구현할 것을 고려한다.

 

 

✨ 장점

1. 하나의 객체를 하나의 필드만 사용하여 상태를 변경하므로 효율적으로 관리할 수 있다. 

2. 여러 분기로 작성된 조건문에 비해 가독성이 우수해진다.

3. 새로운 상태를 추가하거나 변경하더라도 기존 클라이언트 코드를 수정하지 않아도 된다. 이는 객체 지향 5대 원칙 중 하나인 개방 폐쇄 원칙(OCP: Open-Closed Principle)에 부합한다.

4. 객체가 다음에 어떤 상태로 전이될지 명확하게 파악할 수 있다.

5. 각 상태가 독립된 객체로 존재하므로 테스트하기에 용이하다.

 

 

👎 단점

1. 상태가 증가할 때마다 클래스 수가 증가한다. 상태를 관리하기 위해 해당 클래스 파일을 찾아야하는 번거로움이 발생할 수 있다.

2. 상태 간의 공통된 동작이 많고 크게 다르지 않은 경우 오히려 유지 보수에 어려움을 더할 수 있다.

3. 모든 상태가 미리 정의되어 있으므로 유연하게 동작을 변경하는 것이 어려울 수 있다.

상태 패턴을 사용함으로써 취하는 장점이 단점보다 적다면 다른 디자인 패턴을 고려한다.