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목차

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디자인 패턴

싱글톤 패턴 (Singleton Pattern)

싱글톤 패턴은 특정 클래스의 인스턴스가 전체 프로그램에서 단 하나만 존재하도록 보장하는 디자인 패턴이다.

• 게임 개발에서 자주 사용되는데, 게임 매니저, 사운드 매니저, 리소스 매니저와 같은 전역적으로 접근이 필요한 객체를 관리할 때 유용하다.

아래의 코드는 비행기 객체를 싱글톤으로 구현하여, 게임 내에서 단 하나의 비행기만 존재하도록 보장한다.

#include <iostream>
using namespace std;

class Airplane {
private:
    static Airplane* instance; // 유일한 비행기 객체를 가리킬 정적 포인터
    int positionX;             // 비행기의 X 위치
    int positionY;             // 비행기의 Y 위치

    // private 생성자: 외부에서 객체 생성 금지
    Airplane() : positionX(0), positionY(0) {
        cout << "Airplane Created at (" << positionX << ", " << positionY << ")" << endl;
    }

public:
    // 복사 생성자와 대입 연산자를 삭제하여 복사 방지
    Airplane(const Airplane&) = delete;
    Airplane& operator=(const Airplane&) = delete;

    // 정적 메서드: 유일한 비행기 인스턴스를 반환
    static Airplane* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Airplane();
        }
        return instance;
    }

    // 비행기 위치 이동
    void move(int deltaX, int deltaY) {
        positionX += deltaX;
        positionY += deltaY;
        cout << "Airplane moved to (" << positionX << ", " << positionY << ")" << endl;
    }

    // 현재 위치 출력
    void getPosition() const {
        cout << "Airplane Position: (" << positionX << ", " << positionY << ")" << endl;
    }
};

// 정적 멤버 초기화
Airplane* Airplane::instance = nullptr;

// 메인 함수 (사용 예시)
int main() {
    // 유일한 비행기 인스턴스를 가져옴
    Airplane* airplane = Airplane::getInstance();
    airplane->move(10, 20);  // 비행기 이동
    airplane->getPosition();

    // 또 다른 요청도 같은 인스턴스를 반환
    Airplane* sameAirplane = Airplane::getInstance();
    sameAirplane->move(-5, 10); // 비행기 이동
    sameAirplane->getPosition();

    return 0;
}

싱글톤 패턴의 접근 방식

정적 멤버와 정적 메서드

• 클래스 내부에 static 포인터를 두고, static getInstance() 메서드를 통해서만 인스턴스에 접근할 수 있다.

private 생성자

• 외부에서 직접 객체를 생성하는 것을 막기 위해 생성자를 private으로 선언한다.

복사 방지

• 복사 생성자와 대입 연산자를 삭제(delete)하여 인스턴스 복제를 막는다.
• 또는, private으로 선언한다.

장점

• 전역적인 상태 및 통계 관리가 용이하다
• 메모리 사용을 최적화할 수 있다
• 객체의 생성과 초기화를 완벽하게 제어할 수 있다

단점

• 전역 상태로 인한 코드 의존성이 높아질 수 있다
• 멀티스레드 환경에서 동기화 처리가 필요하다
• 단위 테스트가 어려울 수 있다

데코레이터 패턴 (Decorator Pattern)

데코레이터 패턴은 객체의 기능을 동적으로 확장할 수 있게 해주는 구조적 디자인 패턴이다. 이 패턴은 상속을 통한 확장 대신, 객체를 감싸는 래퍼(wrapper) 클래스를 사용하여 기능을 유연하게 추가할 수 있게 한다.

아래의 피자 코드를 통해 데코레이터 패턴의 구현 방법을 살펴보자.

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

// **추상 컴포넌트 (Component): Pizza**
// - 피자 객체의 기본 구조를 정의하는 인터페이스입니다.
// - 모든 피자는 이름(`getName`)과 가격(`getPrice`)을 가져야 합니다.
class Pizza {
public:
    virtual ~Pizza() {}
    virtual string getName() const = 0;  // 피자의 이름 반환
    virtual double getPrice() const = 0; // 피자의 가격 반환
};

// **구체 컴포넌트 (Concrete Component): BasicPizza**
// - 기본 피자 클래스입니다.
// - 피자의 기본 베이스(이름과 가격)를 구현합니다.
class BasicPizza : public Pizza {
public:
    string getName() const {
        return "Basic Pizza"; // 기본 피자의 이름
    }
    double getPrice() const {
        return 5.0; // 기본 피자의 가격
    }
};

래퍼(wrapper) 클래스

// **데코레이터 추상 클래스 (Decorator): PizzaDecorator**
// - 기존 피자의 기능을 확장하기 위한 데코레이터의 기본 구조를 정의합니다.
// - 내부적으로 `Pizza` 객체를 감싸며, 이름과 가격에 추가적인 기능을 제공합니다.
class PizzaDecorator : public Pizza {
protected:
    Pizza* pizza; // 기존의 피자 객체를 참조합니다.
public:
    // 데코레이터는 피자 객체를 받아서 감쌉니다.
    PizzaDecorator(Pizza* p) : pizza(p) {}
    
    // 소멸자에서 내부 피자 객체를 삭제합니다.
    virtual ~PizzaDecorator() {
        delete pizza;
    }
};

// **구체 데코레이터 (Concrete Decorators): Cheese, Pepperoni, Olive**
// - 각각의 토핑 데코레이터는 `PizzaDecorator`를 상속받아 이름과 가격을 확장합니다.

// 치즈 토핑 데코레이터
class CheeseDecorator : public PizzaDecorator {
public:
    CheeseDecorator(Pizza* p) : PizzaDecorator(p) {}
    string getName() const {
        // 기존 피자의 이름에 " + Cheese"를 추가
        return pizza->getName() + " + Cheese";
    }
    double getPrice() const {
        // 기존 피자의 가격에 치즈 추가 비용 1.5를 더함
        return pizza->getPrice() + 1.5;
    }
};

// 페퍼로니 토핑 데코레이터
class PepperoniDecorator : public PizzaDecorator {
public:
    PepperoniDecorator(Pizza* p) : PizzaDecorator(p) {}
    string getName() const {
        // 기존 피자의 이름에 " + Pepperoni"를 추가
        return pizza->getName() + " + Pepperoni";
    }
    double getPrice() const {
        // 기존 피자의 가격에 페퍼로니 추가 비용 2.0을 더함
        return pizza->getPrice() + 2.0;
    }
};

// 올리브 토핑 데코레이터
class OliveDecorator : public PizzaDecorator {
public:
    OliveDecorator(Pizza* p) : PizzaDecorator(p) {}
    string getName() const {
        // 기존 피자의 이름에 " + Olive"를 추가
        return pizza->getName() + " + Olive";
    }
    double getPrice() const {
        // 기존 피자의 가격에 올리브 추가 비용 0.7을 더함
        return pizza->getPrice() + 0.7;
    }
};

main()

// **클라이언트 코드**
// - 피자와 데코레이터를 조합하여 최종 피자를 생성하고, 정보를 출력합니다.
int main() {
    // 1. 기본 피자를 생성합니다.
    Pizza* pizza = new BasicPizza();

    // 2. 치즈 토핑을 추가합니다.
    pizza = new CheeseDecorator(pizza);

    // 3. 페퍼로니 토핑을 추가합니다.
    pizza = new PepperoniDecorator(pizza);

    // 4. 올리브 토핑을 추가합니다.
    pizza = new OliveDecorator(pizza);

    // 5. 최종 피자 정보 출력
    cout << "Pizza: " << pizza->getName() << endl; // 피자의 이름 출력
    cout << "Price: $" << pizza->getPrice() << endl; // 피자의 가격 출력

    // 6. 메모리 해제
    delete pizza;

    return 0;
}

• 출력 결과

Pizza: Basic Pizza + Cheese + Pepperoni + Olive
Price: $9.2

구성 방식

• Component (기본 인터페이스)
  • 기본이 되는 추상 클래스나 인터페이스를 정의
• ConcreteComponent (구체 구성요소)
  • Component 인터페이스를 실제로 구현하는 기본 객체
• Decorator (장식자)
  • Component 객체를 참조하는 추상 클래스
• ConcreteDecorator (구체 장식자)
  • Decorator를 상속받아 실제 기능을 추가하는 클래스

장점

• 기존 코드를 수정하지 않고 객체의 기능을 동적으로 확장할 수 있다
• 단일 책임 원칙(SRP)을 지킬 수 있다
• 상속 대신 합성을 사용하여 유연성이 높다
• 실행 중에도 책임과 기능을 추가하거나 제거할 수 있다

단점

• 데코레이터를 너무 많이 사용하면 코드가 복잡해질 수 있다
• 데코레이터 객체들의 순서에 따라 결과가 달라질 수 있다
• 각 데코레이터 클래스를 따로 만들어야 하므로 클래스 수가 많아질 수 있다

옵저버 패턴 (Observer Pattern)

옵저버 패턴은 객체 간의 일대다(1:N)) 의존 관계를 정의하여, 한 객체의 상태가 변경될 때 그것에 의존하는 모든 객체들이 자동으로 알림을 받고 갱신되도록 하는 디자인 패턴이다.

엑셀 시트에서 데이터가 변경될 때 연결된 모든 차트들이 자동으로 업데이트되는 것과 같은 방식으로 동작한다. 이러한 패턴은 데이터의 일관성을 유지하면서도 객체 간의 느슨한 결합을 가능하게 한다.

Observer 클래스

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;

// Observer 인터페이스
// - Observer 패턴에서 상태 변화를 알림받는 객체들의 공통 인터페이스
// - Observer들은 이 인터페이스를 구현하여 `update` 메서드를 통해 데이터를 전달받음
class Observer {
public:
    virtual ~Observer() = default;               // 가상 소멸자
    virtual void update(int data) = 0;           // 데이터 업데이트 메서드 (순수 가상 함수)
};

Subject 클래스

// Subject 클래스 (엑셀 시트 역할)
// - 데이터의 상태 변화를 관리하며, 모든 등록된 Observer들에게 변경 사항을 알림
class ExcelSheet {
private:
    vector<Observer*> observers;                 // Observer들을 저장하는 리스트
    int data;                                    // 현재 데이터 상태

public:
    ExcelSheet() : data(0) {}                    // 생성자: 초기 데이터 값은 0

    // Observer 등록 메서드
    // - 새로운 Observer를 등록하여 변경 사항 알림을 받을 수 있도록 추가
    void attach(Observer* observer) {
        observers.push_back(observer);
    }

    // 데이터 변경 알림 메서드
    // - 등록된 모든 Observer들의 `update` 메서드를 호출하여 데이터 변경 사항을 알림
    void notify() {
        for (Observer* observer : observers) {
            observer->update(data);              // 각 Observer에게 데이터를 전달
        }
    }

    // 데이터 설정 메서드
    // - 데이터를 변경하고 변경 사항을 모든 Observer에게 알림
    void setData(int newData) {
        data = newData;                          // 새로운 데이터로 갱신
        cout << "ExcelSheet: Data updated to " << data << endl;
        notify();                                // Observer들에게 알림
    }
};

Observer 클래스 - 구체화

// 구체적인 Observer 클래스: BarChart (막대 차트)
// - 데이터를 막대 그래프로 표현
class BarChart : public Observer {
public:
    void update(int data) {                      // 데이터 업데이트 시 호출됨
        cout << "BarChart: Displaying data as vertical bars: ";
        for (int i = 0; i < data; ++i) {
            cout << "|";                         // 데이터 값만큼 막대 출력
        }
        cout << " (" << data << ")" << endl;
    }
};

// 구체적인 Observer 클래스: LineChart (라인 차트)
// - 데이터를 선형 그래프로 표현
class LineChart : public Observer {
public:
    void update(int data) {                      // 데이터 업데이트 시 호출됨
        cout << "LineChart: Plotting data as a line: ";
        for (int i = 0; i < data; ++i) {
            cout << "-";                         // 데이터 값만큼 선 출력
        }
        cout << " (" << data << ")" << endl;
    }
};

// 구체적인 Observer 클래스: PieChart (파이 차트)
// - 데이터를 파이 그래프로 표현
class PieChart : public Observer {
public:
    void update(int data) {                      // 데이터 업데이트 시 호출됨
        cout << "PieChart: Displaying data as a pie chart slice: ";
        cout << "Pie [" << data << "%]" << endl; // 데이터 값 출력 (가정: % 비율로 표현)
    }
};

main()

// 메인 함수
int main() {
    // Subject 생성
    ExcelSheet excelSheet;                       // 데이터를 관리하는 엑셀 시트 객체 생성

    // Observer 객체 생성 (각 차트 객체)
    BarChart* barChart = new BarChart();         // 막대 차트 생성
    LineChart* lineChart = new LineChart();      // 라인 차트 생성
    PieChart* pieChart = new PieChart();         // 파이 차트 생성

    // Observer 등록
    // - 각 차트(Observer)를 엑셀 시트(Subject)에 등록
    excelSheet.attach(barChart);
    excelSheet.attach(lineChart);
    excelSheet.attach(pieChart);

    // 데이터 변경 테스트
    // - 데이터를 변경하면 등록된 모든 Observer들이 알림을 받고 화면에 갱신
    excelSheet.setData(5);                       // 데이터 변경: 5
    excelSheet.setData(10);                      // 데이터 변경: 10

    // 메모리 해제
    // - 동적 할당된 Observer(차트) 객체 삭제
    delete barChart;
    delete lineChart;
    delete pieChart;

    return 0;
}

구성 방식

• Subject (주체)
• Observer (관찰자)
• ConcreteSubject (구체적 주체)
• Loose Coupling(느슨한 결합)

장점

• 느슨한 결합(Loose Coupling)으로 Subject와 Observer 간의 의존성 최소화
• Subject의 상태 변경을 자동으로 모든 Observer에게 전파 가능
• 새로운 Observer 추가가 용이하며 기존 코드 수정이 불필요

단점

• Observer가 많아질수록 성능 저하가 발생할 수 있음
• 순환 업데이트가 발생할 경우 무한 루프에 빠질 위험이 있음
• Observer 패턴의 연쇄적인 업데이트로 인해 디버깅이 어려울 수 있음