[정보처리기사] 1과목 소프트웨어 설계 : 3장. 애플리케이션 설계

1. 소프트웨어 아키텍처 ***
2. 아키텍처 패턴 ***
3. 객체지향(Object-Oriented) ***
4. 모듈 ***
5. 공통 모듈
6. 코드
7. 디자인 패턴

 

 

 

1. 소프트웨어 아키텍처 ***

 

소프트웨어 아키텍처의 설계

- 소프트웨어의 골격이 되는 기본 구조이자, 소프트웨어를 구성하는 요소들 간의 관계를 표현하는 시스템의 구조 또는 구조체

- 소프트웨어 개발 시 적용되는 원칙과 지침이며, 이해 관계자들의 의사소통 도구로 활용됨

- 좋은 품질을 유지하면서 사용자의 비기능적 요구사항으로 나타난 제약을 반영하고, 기능적 요구사항을 구현하는 방법을 찾는 해결 과정

- 애플리케이션의 분할 방법과 분할된 모듈에 할당될 기능, 모듈 간의 인터페이스 등을 결정

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1) 모듈화

- 소프트웨어의 성능을 향상시키거나 시스템의 수정 및 재사용, 유지 관리 등이 용이하도록 시스템의 기능들을 모듈 단위로 나누는 것

- 자주 사용되는 계산식이나 사용자 인증과 같은 기능들을 공통 모듈로 구성하여 프로젝트의 재사용성을 향상시킬 수 있음

- 모듈의 크기를 너무 작게 나누면 개수가 많아져 모듈 간의 통합 비용이 많이 들고, 너무 크게 나누면 모듈 하나의 개발 비용이 많이 듦

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2) 추상화

- 문제의 전체적이고 포괄적인 개념을 설계한 후 차례로 세분화하여 구체화시켜 나가는 것

- 완전한 시스템을 구축하기 전에 그 시스템과 유사한 모델을 만들어서 여러 가지 요인들을 테스트할 수 있음

- 최소의 비용으로 실제 상황에 대처할 수 있고, 시스템의 구조 및 구성을 대략적으로 파악할 수 있음

추상화의 유형

- 과정 추상화: 자세한 수행 과정을 정의하지 않고, 전반적인 흐름만 파악할 수 있게 설계하는 방법

- 데이터 추상화: 데이터의 세부적인 속성이나 용도를 정의하지 않고, 데이터 구조를 대표할 수 있는 표현으로 대체하는 방법

- 제어 추상화: 이벤트 발생의 정확한 절차나 방법을 정의하지 않고, 대표할 수 있는 표현으로 대체하는 방법

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3) 단계적 분해

- Niklaus Wirth에 의해 제안된 하향식 설계 전략으로, 문제를 상위의 중요 개념으로부터 하위의 개념으로 구체화시키는 분할 기법

- 추상화의 반복에 의해 세분화

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4) 정보 은닉

- 한 모듈 내부에 포함된 절차와 자료들의 정보가 감추어져 다른 모듈이 접근하거나 변경하지 못하도록 하는 기법

- 어떤 모듈이 소프트웨어 기능을 수행하는데 반드시 필요한 기능이 있어 정보 은닉된 모듈과 커뮤니케이션할 필요가 있을 때는 필요한 정보만 인터페이스를 통해 주고 받음

- 모듈을 독립적으로 수행할 수 있고, 하나의 모듈이 변경되더라도 다른 모듈에 영향을 주지 않으므로 수정, 시험, 유지보수가 용이

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소프트웨어 아키텍처의 품질 속성

- 소프트웨어 아키텍처가 이해 관계자들이 요구하는 수준의 품질을 유지 및 보장할 수 있게 설계되었는지를 확인

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소프트웨어 아키텍처의 설계 과정

1) 설계 목표 설정: 시스템 개발 방향을 명확히 하기 위해 설계에 영향을 주는 비즈니스 목표, 우선순위 등의 요구사항을 분석하여 전체 시스템의 설계 목표를 설정

2) 시스템 타입 결정: 시스템과 서브 시스템 타입을 결정하고, 설계 목표와 함께 고려하여 아키텍처 패턴 선택

3) 아키텍처 패턴 적용: 아키텍처 패턴을 참조하여 시스템의 표준 아키텍처를 설계

4) 서브시스템 구체화: 서브시스템의 기능 및 서브시스템 간의 상호작용을 위한 동작과 인터페이스를 정의

5) 검토: 아키텍처가 설게 목표에 부합하는지, 요구사항이 잘 반영되었는지, 설계의 기본 원리를 만족하는지 등을 검토

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2. 아키텍처 패턴 ***

 

아키텍처 패턴의 개요

- 아키텍처를 설계할 때 참조할 수 있는 전형적인 해결 방식 또는 예제

- 소프트웨어 시스템의 구조를 구성하기 위한 기본적인 윤곽을 제시

- 서브시스템들과 그 역할이 정의되어 있으며, 서브시스템 사이의 관계과 여러 규칙, 지침 등이 포함되어 있음

장점

- 시행착오를 줄여 개발 시간을 단축시키고, 고품질의 소프트웨어를 생산할 수 있음

- 검증된 구조로 개발하기 때문에 안정적인 개발 가능

- 이해관계자들이 공통된 아키텍처를 공유할 수 있어 의사소통 간편

- 시스템의 구조를 이해하는 것이 쉬워 개발에 참여하지 않는 사람도 손쉽게 유지 보수를 수행할 수 있음

- 시스템의 특성을 개발 전에 예측하는 것이 가능

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1) 레이어 패턴

- 시스템을 계층으로 구분하여 구성하는 고전적인 방법

- 각각의 서브시스템들이 계층 구조를 이루며, 상위 계층은 하위 계층에 대한 서비스 제공자가 되고, 하위 계층은 상위 계층의 클라이언트가 됨

- 서로 마주보는 두개의 계층 사이에서만 상호작용이 이루어지며, 변경 사항을 적용할 때도 서로 마주보는 두 개의 계층에만 영향을 미치므로 변경 작업이 용이

- 특정 계층만을 교체해 시스템을 개선하는 것이 가능

- ex) OSI 참조 모델

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2) 클라이언트-서버 패턴

- 하나의 서버 컴포넌트와 다수의 클라이언트 컴포넌트로 구성되는 패턴

- 사용자는 클라이언트와만 의사소통을 함. 즉, 사용자가 클라이언트를 통해 서버에 요청하고 클라이언트가 응답을 받아 사용자에게 제공하는 방식으로 서비스 제공

- 서버는 클라이언트의 요청에 대비해 항상 대기 상태를 유지해야 함

- 클라이언트나 서버는 요청과 응답을 받기 위해 동기화되는 경우를 제외하고는 서로 독립적

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3) 파이프-필터 패턴

- 데이터 스트림 절차의 각 단계를 필터 컴포넌트로 캡슐화하여 파이프를 통해 데이터를 전송하는 형태

- 필터 컴포넌트는 재사용성이 좋고 추가가 쉬워 확장이 용이

- 필터 컴포넌트를 재배치하여 다양한 파이프라인을 구축하는 것이 가능

- 데이터 변환, 버퍼링, 동기화 등에 주로 사용됨

- ex) UNIX의 쉘

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4) 모델-뷰-컨트롤러 패턴

- 서브시스템을 3개의 부분으로 구조화하는 패턴

(1) 모델: 서브시스템의 핵심 기능과 데이터를 보관

(2) 뷰: 사용자에게 정보를 표시

(3) 컨트롤러: 사용자로부터 받은 입력을 처리

- 각 부분은 별도의 컴포넌트로 분리되어 있으므로 서로 영향을 받지 않고 개발 작업을 수행할 수 있음

- 여러 개의 뷰를 만들 수 있으므로 한 개의 모델에 대해 여러 개의 뷰를 필요로 하는 대화형 애플리케이션에 적합

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5) 기타 패턴

- 마스터-슬레이브 패턴: 마스터 컴포넌트에서 슬레이브 컴포넌트로 작업을 분할한 후, 슬레이브 컴포넌트에서 처리된 결과물을 다시 돌려받는 방식으로 작업 수행

- 브로커 패턴: 사용자가 원하는 서비스와 특성을 브로커 컴포넌트에 요청하면 브로커 컴포넌트가 요청에 맞는 컴포넌트와 사용자를 연결해 줌

- 피어-투-피어 패턴: 피어를 하나의 컴포넌트로 간주하며, 각 피어는 서비스를 호출하는 클라이언트가 될 수도, 서비스를 제공하는 서버가 될 수도 있는 패턴

- 이벤트-버스 패턴: 소스가 특정 채널에 이벤트 메시지를 발행하면, 해당 채널을 구독한 리스너들이 메시지를 받아 이벤트를 처리하는 방식

- 블랙보드 패턴: 모든 컴포넌트들이 공유 데이터 저장소와 블랙보드 컴포넌트에 접근이 가능한 형태로, 컴포넌트들은 검색을 통해 블랙보드에서 원하는 데이터를 찾을 수 있음

- 인터프리터 패턴: 프로그램 코드의 각 라인을 수행하는 방법을 지정하고 기호마다 클래스를 갖도록 구성

 

 

 

 

3. 객체지향 (Object-Oriented)

 

객체지향의 개요

- 현실 세계의 개체를 기계의 부품처럼 하나의 객체로 만들어, 기계적인 부품들을 조립하여 제품을 만들 듯이 소프트웨어를 개발할 때에도 객체들을 조립해서 작성할 수 있는 기법

- 구조적 기법의 문제점을으로 인한 소프트웨어의 위기의 해결책으로 채택되어 사용됨

- 소프트웨어의 재사용 및 확장이 용이하여 고품질의 소프트웨어를 빠르게 개발할 수 있고 유지보수가 쉬움

- 복잡한 구조를 단계적, 계층적으로 표현하고, 멀티미디어 데이터 및 병렬 처리를 지원

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1) 객체

- 데이터와 데이터를 처리하는 함수를 묶어 놓은(캡슐화한) 하나의 소프트웨어 모듈

- 데이터: 객체가 가지고 있는 정보로 속성이나 상태, 분류 등을 나타냄

- 함수: 객체가 수행하는 기능으로 객체가 갖는 데이터(속성, 상태)를 처리하는 알고리즘

객체의 특성

- 독립적으로 식별 가능한 이름을 가짐

- 객체가 가질 수 있는 조건을 상태라고 하며, 상태는 시간에 따라 변함

- 객체와 객체는 상호 연관성에 의한 관계 형성

- 객체가 반응할 수 있는 메시지의 집합을 행위라고 하며, 객체는 행위의 특징을 나타낼 수 있음

- 일정한 기억장소를 가짐

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2) 클래스

- 공통된 속성과 연산을 갖는 객체의 집합으로, 객체의 일반적인 타입을 의미

- 각각의 객체들이 갖는 속성과 연산을 정의하고 있는 틀

- 클래스에 속한 각각의 객체를 인스턴스라 하며, 클래스로부터 새로운 객체를 생성하는 것을 인스턴스화라고 함

- 동일 클래스에 속한 각각의 객체들은 공통된 속성과 행위를 가지고 있으면서, 그 속성에 대한 정보가 서로 달라서 동일 기능을 하는 여러 가지 객체를 나타내게 됨

- 최상위 클래스는 상위 클래스를 갖지 않는 클래스

- 슈퍼 클래스는 특정 클래스의 상위 클래스이고, 서브 클래스는 특정 클래스의 하위 클래스

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3) 캡슐화

- 데이터와 데이터를 처리하는 함수를 하나로 묶는 것

- 캡슐화된 객체는 인터페이스를 제외한 세부 내용이 정보 은닉되어 외부에서의 접근이 제한적이기 때문에 외부 모듈의 변경으로 인한 파급 효과가 적음

- 캡슐화된 객체들은 재사용이 용이

- 객체들 간의 메시지를 주고받을 때 상대 객체의 세부 내용은 알 필요가 없으므로 인터페이스가 단순해지고, 객체 간의 결합도가 낮아짐

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4) 상속

- 이미 정의된 상위 클래스의 모든 속성과 연산을 하위 클래스가 물려받는 것

- 상속을 이용하면 하위 클래스는 상위 클래스의 모든 속성과 연산을 자신의 클래스 내에서 다시 정의하지 않고서도 즉시 자신의 속성으로 사용할 수 있음

- 하위 클래스는 상위 클래스로부터 상속받은 속성과 연산 외에 새로운 속성과 연산을 첨가하여 사용할 수 있음

- 상위 클래스의 속성과 연산을 하위 클래스가 사용할 수 있기 때문에 객체와 클래스의 재사용을 높이는 중요한 개념

다중 상속

- 한 개의 클래스가 두 개 이상의 상위 클래스로부터 속성과 연산을 상속받는 것

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5) 다형성

- 메시지에 의해 객체가 연산을 수행하게 될 때 하나의 메시지에 대해 각각의 객체가 가지고 있는 고유한 방법으로 응답할 수 있는 능력을 의미

- 객체들은 동일한 메소드명을 사용하며 같은 의미의 응답을 함

- 응용 프로그램 상에서 하나의 함수나 연산자가 두 개 이상의 서로 다른 클래스의 인스턴스들을 같은 클래스에 속한 인스턴스처럼 수행할 수 있도록 하는 것

 

 

 

4. 모듈 ***

 

모듈의 개요

- 모듈화를 통해 분리된 시스템의 각 기능들로, 서브루틴, 서브시스템, 소프트웨어 내의 프로그램, 작업 단위 등과 같은 의미로 사용됨

- 단독으로 컴파일이 가능하며 재사용할 수 있음

- 모듈의 기능적 독립성은 소프트웨어를 구성하는 각 모듈의 기능이 서로 독립됨을 의미하는 것으로, 모듈이 하나의 기능만을 수행하고 다른 모듈과의 과도한 상호작용을 배제함으로써 이루어짐

- 독립성이 높은 모듈일수록 모듈을 수정하더라도 다른 모듈들에게는 거의 영향을 미치지 않으며, 오류가 발생해도 쉽게 발견하고 해결할 수 있음

- 모듈의 독립성은 결합도와 응집도에 의해 측정되며, 독립성을 높이려면 모듈의 결합도는 약하게, 응집도는 강하게, 모듈의 크기는 작게 만들어야 함

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1) 결합도

- 모듈 간에 상호 의존하는 정도 또는 두 모듈 사이의 연관 관계를 의미

- 결합도가 약할수록 품질이 높고, 강할수록 품질이 낮음

- 결합도가 강하면 시스템 구현 및 유지보수 작업이 어려움​

 

2) 응집도

- 정보 은닉 개념을 확장한 것으로, 명령어나 호출문 등 모듈의 내부 요소들의 서로 관련되어 있는 정도, 즉 모듈이 독립적인 기능으로 정의되어 있는 정도를 의미

- 응집도가 강할수록 품질이 높고, 약할수록 품질이 낮음

 

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팬인/팬아웃

- 팬인은 어떤 모듈을 제어하는 모듈의 수

- 팬아웃은 어떤 모듈에 의해 제어되는 모듈의 수

- 팬인과 팬아웃을 분석하여 시스템의 복잡도를 알 수 있음

- 팬인이 높다는 것은 재사용 측면에서 설계가 잘 되어있다고 볼 수 있으나, 단일 장애점이 발생할 수 있으므로 중점적인 관리 및 테스트 필요

- 팬아웃이 높은 경우 불필요하게 다른 모듈을 호출하고 있는지 검토하고, 단순화시킬 수 있는지 여부에 대한 검토 필요

- 시스템의 복잡도를 최적화하려면 팬인을 높게, 팬아웃은 낮게 설계

 

 

 

5. 공통 모듈

 

 공통 모듈의 개요

- 여러 프로그램에서 공통적으로 사용할 수 있는 모듈

- 모듈의 재사용성 확보와 중복 개발 회피를 위해 설계 과정에서 공통 부분을 식별하고 명세를 작성할 필요가 있음

 

공통 모듈 명세 기법

- 정확성, 명확성, 완전성, 일관성, 추적성

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재사용

- 비용과 개발 시간을 절약하기 위해 이미 개발된 기능들을 파악하고 재구성하여 새로운 시스템 또는 기능 개발에 사용하기 적합하도록 최적화 시키는 작업

- 재사용되는 대상은 외부 모듈과의 결합도는 낮고 응집도는 높아야 함

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효과적인 모듈 설계 방안

- 결합도는 줄이고 응집도는 높여서 모듈의 독립성과 재사용성을 높임

- 모듈의 제어 영역 안에서 그 모듈의 영향 영역을 유지시킴

- 복잡도와 중복성을 줄이고 일관성 유지

- 하나의 입구와 하나의 출구를 갖도록 해야 함

 

 

 

6. 코드

 

코드의 개요

- 컴퓨터를 이용하여 자료를 처리하는 과정에서 분류, 조합 및 집계를 용이하게 하고, 특정 자료의 추출을 쉽게 하기 위해서 사용하는 기호

- 정보를 신속, 정확, 명료하게 전달할 수 있음

- 일정한 규칙에 따라 작성되며, 정보 처리의 효율과 처리된 정보의 가치에 많은 영향을 미침

 

코드의 기능

- 식별 기능, 분류 기능, 배열 기능

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코드의 종류

- 순차 코드: 자료의 발생 순서, 크기 순서 등 일정 기중에 따라서 최초의 자료부터 차례로 일련번호를 부여하는 방법

- 블록 코드: 코드화 대상 항목 중에서 공통성이 있는 것끼리 블록으로 구분하고, 각 블록 내에서 일련번호를 부여하는 방법

- 10진 코드: 코드화 대상 항목을 0~9까지 10진 분할하고, 다시 그 각각에 대하여 10진 분할하는 방법을 필요한 만큼 반복하는 방법

- 그룹 분류 코드: 코드화 대상 항목을 일정 기준에 따라 대분류, 중분류, 소분류 등으로 구분하고, 각 그룹 안에서 일련번호를 부여하는 방법

- 연상 코드: 코드화 대상 항목의 명칭이나 약호와 관계있는 숫자나 문자, 기호를 이용하여 코드를 부여하는 방법

- 표의 숫자 코드: 코드화 대상 항목의 성질(길이, 넓이, 부피, 지름, 높이)의 물리적 수치를 그대로 코드에 적용시키는 방법

- 합성 코드: 필요한 기능을 하나의 코드로 수행하기 어려운 경우 2개 이상의 코드를 조합하여 만드는 방법

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코드 부여 체계

- 이름만으로 개체의 용도와 적용 범위를 알 수 있도록 코드를 부여하는 방식

- 코드를 부여하기 전에 각 단위 시스템의 고유한 코드와 개체를 나타내는 코드 등이 정의되어야 함

- 코드의 자릿수와 구분자, 구조 등을 상세하게 명시해야 함

 

 

 

7. 디자인 패턴

 

디자인 패턴의 개요

- 각 모듈의 세분화된 역할이나 모듈들 간의 인터페이스와 같은 코드을 작성하는 수준의 세부적인 구현 방안을 설계할 때 참조할 수 있는 전형적인 해결 방식 또는 예제

- 재사용할 수 있는 기본형 코드들이 포함되어 있음

- 개발 과정 중에 문제가 발생하면 새로 해결책을 구상하는 것보다 문제에 해당하는 디자인 패턴을 참고하여 적용하는 것이 더 효율적

- 한 패턴에 변형을 가하거나 특정 요구사항을 반영하면 유사한 형태의 다른 패턴으로 변화되는 특징이 있음

- GoF라고 불리는 에릭 감마, 리차드 헬름, 랄프 존슨, 존 블리시디스가 처음으로 구체화 및 체계화

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1) 생성 패턴

- 객체의 생성과 참조 과정을 캡슐화 하여 객체가 생성되거나 변경되어도 프로그램의 구조에 영향을 크게 받지 않도록 하여 프로그램에 유연성을 더해줌

(1) 추상팩토리: 구체적인 클래스에 의존하지 않고, 인터페이스를 통해 서로 연관, 의존하는 객체들의 그룹으로 생성하여 추상적으로 표현

(2) 빌더: 작게 분리된 인스턴스를 건축하듯이 조합하여 객체를 생성

(3) 팩토리 메소드: 객체 생성을 서브 클래스에서 처리하도록 분리하여 캡슐화한 패턴

(4) 프로토타입: 원본 객체를 복제하는 방법으로 객체를 생성하는 패턴

(5) 싱글톤: 하나의 객체를 생성하면 생성된 객체를 어디서든 참조할 수 있지만, 여러 프로세스가 동시에 참조할 수는 없음

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2) 구조 패턴

- 클래스나 객체들을 조합하여 더 큰 구조로 만들 수 있게 해주는 패턴으로 구조가 복잡한 시스템을 개발하기 쉽게 도움

(1) 어댑터: 호환성이 없는 클래스들의 인터페이스를 다른 클래스가 이용할 수 있도록 변환해주는 패턴

(2) 브리지: 구현부에서 추상층을 분리하며, 서로가 독립적으로 확장할 수 있도록 구성한 패턴

(3) 컴포지트: 여러 객체를 가진 복합 객체와 단일 객체를 구분 없이 다로고자 할 때 사용하는 패턴

(4) 데코레이터: 객체 간의 결합을 통해 능동적으로 기능들을 확장할 수 있는 패턴

(5) 퍼싸드: 복잡한 서브 클래스들을 피해 더 상위에 인터페이스를 구성함으로써 서브 클래스들의 기능을 간편하게 사용할 수 있도록 하는 패턴

(6) 플라이웨이트: 인스턴스가 필요할 때마다 매번 생성하는 것이 아니고 가능한 한 공유해서 사용함으로써 매모리를 절약하는 패턴

(7) 프록시: 접근이 어려운 객체와 여기에 연결하려는 객체 사이에서 인터페이스 역할을 수행하는 패턴

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3) 행위 패턴

- 클래스나 객체들이 서로 상호작용하는 방법이나 책임 분배 방법을 정의하는 패턴으로 하나의 객체로 수행할 수 없는 작업을 여러 객체로 분배하면서 결합도를 최소화

(1) 책임 연쇄: 요청을 처리할 수 있는 객체가 둘 이상 존재하여 한 객체가 처리하지 못하면 다음 객체로 넘어가는 형태의 패턴

(2) 커맨드: 요청을 객체의 형태로 캡슐화하여 재이용하거나 취소할 수 있도록 요청에 필요한 정보를 저장하거나 로그에 남기는 패턴

(3) 인터프리터: 언어에 문법 표현을 정의하는 패턴

(4) 반복자: 자료 구조와 같이 접근이 잦은 객체에 대해 동일한 인터페이스를 사용하도록 하는 패턴

(5) 중재자: 수많은 객체들 간의 복잡한 상호작용을 캡슐화하여 객체로 정의하는 패턴

(6) 메멘토: 특정 시점에서의 객체 내부 상태를 객체화함으로써 이후 요청에 따라 객체를 해당 시점의 상태로 돌릴 수 있는 기능을 제공하는 패턴

(7) 옵서버: 한 객체의 상태가 변화하면 객체에 상속되어 있는 다른 객체들에게 변화된 상태를 전달하는 패턴

(8) 상태: 객체의 상태가 변화하면 객체에 상속되어 있는 다른 객체들에게 변화된 상태를 전달하는 패턴

(9) 전략: 동일한 계열의 알고리즘들을 개별적으로 캡슐화하여 상호 교환할 수 있게 정의하는 패턴

(10) 템플릿 메소드: 상위 클래스에서 골격을 정의하고, 하위 클래스에서 세부 처리를 구체화하는 구조의 패턴

(11) 방문자: 각 클래스들의 데이터 구조에서 처리 기능을 분리하여 별도의 클래스로 구성하는 패턴