Game programming patterns

게임 프로그래밍 패턴
쿠재아이
김재경

주제 선정 이유
• 어떻게 해야 유지 보수가 좋게 할까?
• 만약 처음부터 설계를 한다면 어떻게 해야 할까?
• 코딩 할 때마다 항상 하던 생각이지만 공부한 적은 없음
• 그래서 공부했습니다

• 서점에서 우연히 발견한 책
• 인터넷에서 요약 글을 봤었는데
내용이 괜찮았던 걸로 기억
• 관심있는 주제이기도 해서 구입

• 이런 사람에게 추천
1. 디자인 패턴 공부를 시작하고 싶은 분
2. 아직 디자인 패턴에 익숙하지 않은 분
• 책 내용이 많지 않고(400p)
문체가 딱딱하지 않아서 읽기 편함
• 디자인 패턴 입문서로 적절할 듯
단, 다른 디자인 패턴 책과 같이 볼 것

목차
1. 싱글턴 (Singleton)
2. 상태 (State)
3. 컴포넌트 (Component)

싱글턴을 사용하면서 느낀점
• 싱글턴을 너무 남발하는거 아닌가?
• 싱글턴의 문제점은 무엇인가?
• 싱글턴의 대안은 어떤게 있는가?

싱글턴이란?
1. 한 개의 인스턴스만을 갖도록 보장
• 인스턴스가 여러 개면 제대로 작동하지 않는 상황이 종종 있다
(외부 시스템과 상호작용하면서 전역 상태를 관리하는 클래스)
• ex) 파일 시스템 API

싱글턴이란?
2. 전역적인 접근점을 제공
• 보통 생성자를 private로 하여 인스턴스를 따로 생성할 수 없으므로
인스턴스를 전역에서 접근할 수 있는 메서드를 제공

싱글턴이란?
• 생성자가 private라 밖에서 생성 X
(한 개의 인스턴스를 보장)
• instance static 함수로 어디서나
접근 가능
• 필요할 때까지 초기화를 늦출 수 있음
(Lazy Initialization)

싱글턴의 장점
1. 필요할 때 인스턴스를 생성한다
• 해당 싱글턴을 한 번도 사용하지 않는다면 메모리와 CPU 사용량을
줄일 수 있다
2. 런타임에 초기화된다
• 프로그램이 실행된 후에 알 수 있는 정보를 활용할 수 있다

싱글턴의 장점
3. 상속할 수 있다
• 만약 파일 시스템 싱글턴이 크로스 플랫폼을 지원해야 한다면
추상 인터페이스를 만든 뒤 구체 클래스를 만들면 된다

싱글턴의 장점
3-1. 상위 클래스를 만든다

싱글턴의 장점
3-2. 플랫폼별로 하위 클래스를 만든다

싱글턴의 장점
3-3. FileSystem 클래스를 싱글턴으로 만든다

싱글턴의 장점
3-4. 인스턴스 생성하는 부분이 핵심

와! 짱 좋네! 자주 쓰면 좋을 듯 ㅎㅎ 완벽하네

싱글턴의 단점
• 전역 변수이다

싱글턴의 단점 1
1. 전역 변수는 코드를 이해하기 어렵게 한다
• SomeClass::getSomeGlobalData() 같은 코드가 있다면
전체 코드에서 SomeGlobalData에 접근하는 곳을 다 살펴봐야
상황을 파악할 수 있다
• 만약 살펴봐야 한다면?

2. 전역 변수는 커플링을 조장한다
• 싱글턴을 사용하기 위해 #include 한 줄만 추가해도
신중하게 만들어놓은 아키텍처를 더럽힐 수 있다
• 인스턴스에 대한 접근을 통제함으로써 커플링을 통제할 수 있다

3. 전역 변수는 멀티스레딩 같은 동시성 프로그래밍에 알맞지 않다
• 모든 스레드가 읽고 쓸 수 있는 메모리 영역이 생긴 것이다
• 교착 상태(Dead Lock), 경쟁 상태(Race Condition) 등
스레드 동기화 버그가 생기기 쉽다

• 문제가 하나뿐일 때도 두 가지 문제를 풀려 든다
(전역 접근 + 인스턴스 제한)
• Log 클래스가 싱글턴으로 되어있다고 하자. 전역으로 접근하여 편하게
로그를 남길 수 있지만 만약 로그를 여러 파일에 나눠쓸 상황이 온다면?
인스턴스를 한 개만 만들어야는 제약이 문제가 된다

• 게으른 초기화는 제어할 수가 없다
• 처음 초기화를 할 때 프레임이 떨어지고 렉이 걸린다면?

• 이렇게 하면 게으른 초기화
문제를 해결할 수 있다
• 단점
1. 다형성 사용 못 함
2. 메모리 해제 불가능

대안
• 클래스가 꼭 필요한가?

대안
• 한 개의 인스턴스만 갖도록
보장하기
• 전역 접근 X

대안
• 인스턴스에 쉽게 접근하기 (전역 접근 대체)
1. 넘겨주기
• 함수에 객체가 필요하다면 인수로 넘겨주는게 가장 쉬우면서도
최선인 경우가 많다.
• 인수로 넘겨주는 게 적절하지 않은 경우도 있다. 이러면 다른 방법을
찾아보자

대안
• 인스턴스에 쉽게 접근하기
2. 상위 클래스로부터 얻기

대안
3. 이미 전역인 객체로부터 얻기

대안
3. 이미 전역인 객체로부터 얻기
• 나중에 Game 인스턴스를 여러 개 지원하도록 구조를 바꿔도
Log, FileSystem, AudioPlayer는 영향을 받지 않는다
• Game 클래스에 커플링되는 단점이 있다.
사운드를 출력하고 싶어도 Game 클래스를 알아야 한다

결론
• 싱클턴을 쓰지 말자는 게 아니다
• 싱글턴을 사용해야 하면 단점과 대안을 한 번 생각해 보자

상태 패턴을 사용하면서 느낀점
• 객체 상태별로 클래스가 분리되기 때문에 이해하기 쉽다
• State가 매우 많아진다면?
• 여러 개의 State가 공존해야 한다면?

추억의 게임 만들기
• 간단한 횡스크롤 플랫포머를 만든다고 하자.
먼저 B버튼을 누르면 점프해야 한다
• 버그를 눈치 챘는가?

• 공중에 있는 동안 B를 연타하면
계속 떠 있을 수 있다
• isJumping_ bool 값을 추가하면
간단히 고칠 수 있다

• 무한 점프 버그를 해결했다
• 플레이어가 땅에 있을 때
아래 버튼을 누르면 엎드리고
버튼을 떼면 일어서는 기능을
추가해보자

• 버그를 찾아 냈는가?

1. 아래 버튼을 누른 뒤
2. B 버튼을 눌러 엎드린 상태에서
점프하고 나서
3. 공중에서 아래 버튼을 떼면
4. 점프 중인데도 땅에 서 있는
모습으로 보인다
• 플래그 변수가 더 필요하다

• 뭔가 방향을 잘못 잡은 게 분명하다
• 코드가 얼마 없는데도 조금만 건드리면
망가진다
• 더 많은 상태가 추가된다면?

• Flowchart를 그려보자
• 유한 상태 기계(FSM)가
만들어졌다

• FSM 요점
1. 가질 수 있는 ‘상태’가
한정된다
2. 한 번에 ‘한 가지’ 상태만
될 수 있다
3. ‘입력’이나 ‘이벤트’가
기계에 전달된다
4. 각 상태에서는 입력에 따라
다른 상태로 바뀌는 ‘전이’가 있다

열거형과 다중 선택문
• bool 값 조합이 유효하지 않을 수 있다
ex) isJumping과 isDucking은 동시에 참이 될 수 없다
• 여러 플래그 변수 중에서 하나가 참일 때가 많다면 열거형(Enum)이
필요하다는 신호다
• 예제에서는 FSM 상태를 열거형으로 정의할 수 있다

• 분기문을 다 없애진 못했지만 업데이트해야 할 상태 변수를 하나로
줄였다(state_ 변수)
• 열거형 만으로는 부족할 수도 있다. 이동을 구현하되, 엎드려 있으면
기가 모여서 놓는 순간 특수 공격을 쏠 수 있게 만든다고 해보자

1. 기 모으기 공격을 추가하기 위해 함수 2개를 수정했다
2. 엎드리기 상태에서만 의미 있는 chargeTime 변수를 추가해야 했다
• 이것보다는 모든 코드와 데이터를 한 곳에 모아둘 수 있는 게 낫다

상태 패턴
• 상태에 의존하는 모든 코드를 인터페이스의 가상 함수로 만든다

상태 패턴
• 상태별로 인터페이스를 구현하는 클래스를 정의한다
• chargeTIme_은 엎드리기 상태에서만 의미 있다는 점을 분명하게 보여준다

상태 패턴
• Heroine 클래스에 현재 상태 객체
포인터를 추가한다
• 상태를 바꾸려면 state_에
HeroineState를 상속받은
다른 객체를 할당하면 된다

상태 객체는 어디에 둬야 할까?
• 정적 객체
• 상태 객체에 필드가 따로 없다면
인스턴스는 하나만 있으면 된다

상태 객체는 어디에 둬야 할까?
• 전이 할 때마다 상태 객체를 만든다

입장과 퇴장
• 상태 패턴의 목표는 같은 상태에 대한 모든 동작과 데이터를
클래스 하나에 캡슐화하는 것이다
• 지금까지는 이전 상태에서 스프라이트를 변경했다
(DuckingState에서 IMAGE_STAND로 변경, 51p 좌측 사진)
• 이보다는 같은 상태에서 그래픽까지 제어하는 게 바람직하다
이를 위해 입장 기능을 추가하자

입장과 퇴장
• Stand 상태로 변경하기만 하면 Stand 상태가 알아서 그래픽까지 챙긴다
• 이전 상태와는 상관없이 항상 같은 입장 코드가 실행된다는 것도 장점
• 새로운 상태로 교체되기 직전에 호출되는 퇴장도 이런 식으로 하면 된다

병행 상태 기계
• 플레이어가 총을 들 수 있게 만든다고 해보자
• 총을 장착한 후에도 달리기, 점프, 엎드리기 동작을 할 수 있어야 한다
그러면서 총도 쏠 수 있어야 한다
• FSM 방식은 모든 상태를 서기, 무장한 채로 서기, 점프, 무장한 채로 점프
같은 식으로 무장, 비무장에 맞춰 2개씩 만들어야 한다
• 이 문제는 상태 기계를 둘로 나누면 된다

병행 상태 기계
• 두 상태 기계가 서로 전혀 연관이 없다면 좋은 방법이 될 수 있다
• 현실적으로는 점프 도중에는 총을 못 쏜다는 식으로 복수의 상태 기계가
상호작용해야 할 수도 있다
• 이를 위해 어떤 상태 코드(총)에서 다른 상태 기계의 상태(점프)가 무엇인지를
검사하는 지저분한 코드를 만들 일이 생길 수도 있다

계층형 상태 기계
• 플레이어가 서기, 걷기, 달리기, 미끄러지기 같은 상태가 있다고 하자
• 위 상태에서는 모두 B 버튼을 누르면 점프하고, 아래 버튼을 누르면
엎드려야 한다
• FSM 방식은 각 상태마다 코드를 중복해 넣어야 한다. 그보다는 한 번만
구현하고 다른 상태에서 재사용하는 게 낫다
• 상속을 이용하면 된다

Push-Down Automata
• FSM에서는 현재 상태는 알 수 있지만 이전 상태가 무엇인지 알 수 없다
• 사진의 스테이지 화면을
로비에서도 접근할 수 있고
퀘스트 화면에서도 접근할 수
있다면?
• 이전 화면으로 어떻게
돌아갈 것인가?

Push-Down Automata
• 상태를 스택으로 관리하면 된다

언제 사용해야 하는가?
• 내부 상태에 따라 객체 동작이 바뀔 때
• 이런 상태가 많지 않은 선택지로 분명하게 구분될 수 있을 때
• 객체가 입력이나 이벤트에 따라 반응할 때

게임 AI에서는?
• 사실 FSM을 처음 접한 건 게임 AI를 공부했을 때
• 근데 요즘은 안 쓴다고 하더라…
• Behavior Tree 나 Planning System을 더 많이 쓴다고 한다

게임 AI에서는?
• https://www.slideshare.net/yonghakim900/2009-ndc

컴포넌트 패턴을 선택한 이유
• 상속을 사용해보니 구조가 복잡해 질수록 유지보수 하기가 힘들었음
• 상속을 사용하지 않고 코드를 재사용하는 방법이 없을까?

컴포넌트 패턴을 선택한 이유
EDCBA
• 이런 상속 구조에서 코드를 보기 힘들 때가 있다

동기
• 플레이어 클래스에서는 AI, 물리, 렌더링, 사운드 등의 클래스들이
실타래처럼 얽혀 있다
• 이 코드를 고치려면 물리(collidingWithFloor), 그래픽(getRenderState),
사운드(playSound)를 전부 알아야 한다 (커플링)

패턴
• 여러 분야를 다루는 하나의 개체가 있다
• 분야별로 격리하기 위해, 각각의 코드를 별도의 컴포넌트 클래스에 둔다
• 이제 개체 클래스는 단순히 컴포넌트들의 컨테이너 역할만 한다

언제 쓸 것인가?
• 다음 조건 중 하나라도 만족한다면 유용하게 쓸 수 있다
1. 한 클래스에서 여러 분야를 건드리고 있어서 이들을 서로 디커플링
하고 싶다
2. 클래스가 거대해져서 작업하기가 어렵다
3. 여러 다른 기능을 공유하는 다양한 객체를 정의하고 싶다
단, 상속으로는 딱 원하는 부분만 골라서 재사용할 수가 없다

주의 사항
• 클래스 하나에 코드를 모아놨을 때보다 더 복잡해질 가능성이 높다
• 한 무리의 객체를 생성하고 초기화하고 알맞게 묶어줘야 하나의 개념적인
‘객체’를 만들 수 있기 때문이다.
• 컴포넌트끼리 통신하기도 더 어렵고 컴포넌트들을 메모리 어디에 둘지
제어하는 것도 더 복잡하다

주의 사항
• 코드베이스 규모가 크면 이런 복잡성에서 오는 손해보다 디커플링과
컴포넌트를 통한 코드 재사용에서 얻는 이득이 더 클 수 있다
• 하지만 컴포넌트 패턴을 적용하기 전에 아직 있지도 않은 문제에 대한
‘해결책’을 오버엔지니어링하려는 것은 아닌지 주의해야 한다

주의 사항
• 또 다른 문제는 무엇이든지 하려면 한 단계를 거쳐야 할 때가 많다는 점이다
• 무슨 일이든 컨테이너 객체에서 원하는 컴포넌트부터 얻어야 할 수 있다
• 성능이 민감한 내부 루프 코드에서 이런 식으로 포인터를 따라가다 보면
성능이 떨어질 수 있다

통짜 클래스
• 컴포넌트 패턴을 아직 적용하지 않아 모든 기능이 클래스에 다 들어있다

오토- 캐릭터
• 컴포넌트 클래스를 추상화한다

캐릭터일 필요는 없다
• 이제 캐릭터 클래스는 컴포넌트 묶음일 뿐 캐릭터와 관련된 코드가 없다
• 게임에서 모든 객체가 기본으로 사용하는 GameObject 클래스로 바꾸는 게
더 좋을 것 같다

Game programming patterns

More Related Content

What's hot (20)

Similar to Game programming patterns (20)

More from QooJuice (11)

Game programming patterns