FSM - State Pattern, State Machine 상태 패턴과 상태 머신, 유한 상태 기계

 

상태 패턴(State Pattern)은 객체의 상태에 따라 동작을 달리하는 디자인 패턴이다.

이 패턴을 사용하면 상태에 따른 조건문을 많이 사용하는 코드보다 훨씬 더 깔끔하고 유지보수하기 쉬운 코드를 작성할 수 있다.

유니티(Unity)에서 상태 패턴을 사용하는 예제를 통해 이를 알아보자.

1. 상태 인터페이스 정의

우선 먼저 모든 상태의 클래스가 구현 해야 할 매서드를 정의한다.

public interface ICharacterState
{
    void EnterState(Character character);
    void UpdateState(Character character);
    void ExitState(Character character);
}

2. State Machine 구현

이제 모든 상태들을 관리해줄 State Machine을 만든다.

public class StateMachine
{
    public ICharacterState currentState { get; private set; }

    public IdleState IdleState;
    public WalkingState WalkingState;
    
    public StateMachine(Character character)
    {
        IdleState = new IdleState(character);
        WalkingState = new WalkingState(character);
        JumpingState = new JumpingState(character);
    }

    public void Initialize(ICharacterState initState)
    {
        currentState = initState;
        currentState.EnterState();
    }

    public void ChangeState(ICharacterState newState)
    {
        currentState.ExitState();  // 기존의 상태를 끝낸다
        currentState = newState;   // 새로운 상태로 변경
        currentState.EnterState(); // 새로운 상태를 시작
    }

    public void Update()
    {
        currentState.UpdateState();
    }
}

3. State 구현

이제 캐릭터의 상태를 구현 해준다.

우선 Idle 과 Move 만 만들었다.

public class IdleState : ICharacterState
{
    private readonly Character character;

    public IdleState(Character character)
    {
        this.character = character;
    }

    public void EnterState()
    {

    }

    public void UpdateState()
    {
        var isMove = false;

        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D))
        {
            isMove = true;
        }

        if (isMove)
        {
            character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.WalkingState);
        }
    }

    public void ExitState()
    {

    }
}

public class WalkingState : ICharacterState
{
    private readonly Character character;

    public WalkingState(Character character)
    {
        this.character = character;
    }

    public void EnterState()
    {

    }

    public void UpdateState()
    {
        var moveDirection = character.GetInputDirection();

        if (moveDirection == Vector3.zero)
        {
            character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.IdleState);
        }
        else
        {
            character.Move(moveDirection);
        }
    }

    public void ExitState()
    {

    }
}

4. Character 구현

이동 하는 함수를 만들어주고 각 상태들을 만든다.

public class Character : MonoBehaviour
{
    public StateMachine StateMachine { get; private set; }

    public float moveSpeed = 5f;

    void Start()
    {
        StateMachine = new StateMachine(this);

        StateMachine.Initialize(StateMachine.IdleState);
    }

    void Update()
    {
        StateMachine.Update();
    }

    public void Move(Vector3 direction)
    {
        transform.Translate(direction * moveSpeed * Time.deltaTime);
    }
}

 

이렇게 하면 상태를 바꿔가며 움직인다.

5. 새로운 상태 추가

기존의 상태에서 새로운 상태인 점프를 넣어보자

우선 점프 State를 구현해준다.

public class JumpingState : ICharacterState
{
    private readonly Character character;

    public JumpingState(Character character)
    {
        this.character = character;
    }

    public void EnterState()
    {
        character.Jump();
    }

    public void UpdateState()
    {
        // 점프 중에도 Input을 받아 움직일 수 있다.
        var moveDirection = character.GetInputDirection();

        // 땅에 닿아야지 다른 상태로 넘어갈 수 있다.
        if (character.IsGrounded)
        {
            if (moveDirection == Vector3.zero)
            {
                character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.IdleState);
            }
            else
            {
                character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.WalkingState);
            }
        }
        else if (moveDirection != Vector3.zero)
        {
            character.Move(moveDirection);
        }
    }

    public void ExitState()
    {

    }
}

그 다음 캐릭터에게 점프 관련 함수를 만들고 리지드바디 컴포넌트를 사용해 점프 할 것이므로 컴포넌트를 추가 해준다.

public class Character : MonoBehaviour
{
    public StateMachine StateMachine { get; private set; }

    public float moveSpeed = 5f;
    public float jumpForce = 7f;
    public bool IsGrounded { get; private set; }

    public TMP_Text StateText;

    private Rigidbody rb;

    void Start()
    {
        rb = GetComponent<Rigidbody>();

        StateMachine = new StateMachine(this);

        StateMachine.Initialize(StateMachine.IdleState);
    }

    void Update()
    {
        StateMachine.Update();
    }

    public void Move(Vector3 direction)
    {
        transform.Translate(direction * moveSpeed * Time.deltaTime);
    }

    public void Jump()
    {
        if (IsGrounded)
        {
            rb.AddForce(Vector3.up * jumpForce, ForceMode.Impulse);
            IsGrounded = false;
        }
    }

    void OnCollisionEnter(Collision collision)
    {
        // 바닥에 닿으면 점프 가능 상태로 변경
        if (collision.contacts[0].normal == Vector3.up)
        {
            IsGrounded = true;
        }
    }

    public Vector3 GetInputDirection()
    {
        Vector3 moveDirection = Vector3.zero;

        if (Input.GetKey(KeyCode.W))
        {
            moveDirection += Vector3.forward;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.S))
        {
            moveDirection += Vector3.back;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.A))
        {
            moveDirection += Vector3.left;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.D))
        {
            moveDirection += Vector3.right;
        }

        return moveDirection;
    }
}

Idle과 Move에서도 점프를 하게끔 수정 해준다.

public class IdleState : ICharacterState
{
    private readonly Character character;

    public IdleState(Character character)
    {
        this.character = character;
    }

    public void EnterState()
    {

    }

    public void UpdateState()
    {
        var isMove = false;

        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D))
        {
            isMove = true;
        }

        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
        {
            character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.JumpingState);
        }
        else if (isMove)
        {
            character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.WalkingState);
        }
    }

    public void ExitState()
    {

    }
}

public class WalkingState : ICharacterState
{
    private readonly Character character;

    public WalkingState(Character character)
    {
        this.character = character;
    }

    public void EnterState()
    {

    }

    public void UpdateState()
    {
        var moveDirection = character.GetInputDirection();

        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
        {
            character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.JumpingState);
        }
        else if (moveDirection == Vector3.zero)
        {
            character.StateMachine.ChangeState(character.StateMachine.IdleState);
        }
        else
        {
            character.Move(moveDirection);
        }
    }

    public void ExitState()
    {

    }
}

결과