Deep Dive Into Design Patterns - 싱글톤 패턴

💡 싱글톤(Singleton) 패턴이란?

클래스에 인스턴스가 하나만 있도록 하면서 이 인스턴스에 대한 전역 접근(액세스) 지점을 제공하는 생성 디자인 패턴입니다. 쉽게 말해, 단 하나의 유일한 객체를 만들기 위한 코드 패턴이며 인스턴스가 필요할 때 똑같은 인스턴스를 새로 만들지 않고 기존의 인스턴스를 가져와 활용하는 기법을 말합니다.

 

보통 싱글톤 패턴이 적용된 객체가 필요한 경우는 그 객체가 리소스를 많이 차지하는 역할을 하는 무거운 클래스일때 적합합니다. 대표적으로 데이터베이스 연결 모듈을 예로 들 수 있는데, 데이터베이스에 접속하는 작업(I/O 바운드)은 그 자체로 무거운 작업에 속하며 또한 한번만 객체를 생성하고 돌려쓰면 되지 굳이 여러번 생성할 필요가 없기 때문입니다.

 

💡 클래스 다이어그램으로 본 싱글톤 패턴

1. Singleton 클래스는 정적 메서드 get­Instance를 선언합니다. 이 메서드는 자체 클래스의 같은 인스턴스를 반환합니다.
2. 다른 객체들이 생성자를 선언하지 못하도록, default 생성자는 private으로 선언합니다. (다른 객체들은 생성자 대신 getInstance를 사용합니다.)

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        // Singleton.getInstance() 를 통해 싱글톤 객체를 각기 변수마다 받아와도 똑같은 객체 주소를 가리킴
        Singleton i1 = Singleton.getInstance();
        Singleton i2 = Singleton.getInstance();
        Singleton i3 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(i1.toString()); // Singleton@1b6d3586
        System.out.println(i2.toString()); // Singleton@1b6d3586
        System.out.println(i3.toString()); // Singleton@1b6d3586

        System.out.println(i1 == i2); // true
    }
}

 

💡 싱글톤 패턴 구현

구현 기법에는 아래와 같이 7가지가 존재합니다.

1. Eager Initialization
2. Static Block Initialization
3. Lazy Initialization
4. Thread Safe Initialization
5. Double-Checked Locking
6. Bill Pugh Solution ⭐
7. Enum ⭐

하나씩 알아봅시다.

 

1. Eager Initialization(이른 초기화)

한번만 미리 만들어두는, 가장 직관적이면서도 심플한 기법입니다. 객체가 그리 크지 않은 객체인 경우 해당 기법을 사용할 수 있습니다.

장점 : static final로 선언하여 멀티 쓰레드 환경에서도 안전합니다.

단점 : 당장 객체를 사용하지 않더라도 메모리에 적재하는 static을 사용하여 리소스가 큰 객체일 경우 공간 자원 낭비가 발생합니다.

class Singleton {
    // 싱글톤 클래스 객체를 담을 인스턴스 변수
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 생성자를 private로 선언 (외부에서 new 사용 X)
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

 

2. Static Block Initialization(정적 블록 초기화)

static block이란, 클래스가 로딩되고 클래스 변수가 준비된 후 자동으로 실행되는 블록을 의미합니다.

장점 : static block을 이용하여 예외를 잡을 수 있습니다.

단점 : 당장 객체를 사용하지 않더라도 메모리에 적재하는 static을 사용하여 리소스가 큰 객체일 경우 공간 자원 낭비가 발생합니다.

class Singleton {
    // 싱글톤 클래스 객체를 담을 인스턴스 변수
    private static Singleton instance;

    // 생성자를 private로 선언 (외부에서 new 사용 X)
    private Singleton() {}
    
    // static 블록을 이용해 예외 처리
    static {
        try {
            instance = new Singleton();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("싱글톤 객체 생성 오류");
        }
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

 

3. Lazy Initialization(지연 초기화)

객체 생성에 대한 관리를 내부적으로 처리합니다. 메서드를 호출했을 때 인스턴스 변수의 null 유무에 따라 초기화하거나, 있는 인스턴스 변수를 반환합니다.

장점 : 고정 메모리 차지의 한계점을 극복합니다. (객체를 사용할 때 메모리에 적재)

단점 : Thread Safe하지 않습니다. 멀티 스레드 환경에서 동시성 문제가 발생합니다.(원자성 결여)

class Singleton {
    // 싱글톤 클래스 객체를 담을 인스턴스 변수
    private static Singleton instance;

    // 생성자를 private로 선언 (외부에서 new 사용 X)
    private Singleton() {}
    
    // 외부에서 정적 메서드를 호출하면 그제서야 초기화 진행(lazy)
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton(); // 오직 1개의 객체만 생성
        }
        return instance;
    }
}

 

4. Thread Safe Initialization

위의 문제를 해결하기 위해, synchronized 키워드를 통해 메서드에 쓰레드들을 하나씩 접근할 수 있도록 동기화 시키는 방법입니다.

장점 : Thread Safe합니다.

단점 : 여러 개의 모듈들이 객체를 가져올 때 매번 synchronized 메서드를 호출하여, overhead로 인한 성능 하락이 발생합니다.

 💡 synchronized 키워드는 멀티 쓰레드 환경에서 두개 이상의 쓰레드가 하나의 변수에 동시에 접근을 할 때 Race condition(경쟁상태)이 발생하지 않도록 합니다. 한마디로 쓰레드가 해당 메서드를 실행하는 동안 다른 쓰레드가 접근하지 못하도록 잠금(lock)을 거는 것입니다.

 

class Singleton {
    // 싱글톤 클래스 객체를 담을 인스턴스 변수
    private static Singleton instance;

    // 생성자를 private로 선언 (외부에서 new 사용 X)
    private Singleton() {}
    
    // 외부에서 정적 메서드를 호출하면 그제서야 초기화 진행(lazy)
    // synchronized 메서드
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton(); // 오직 1개의 객체만 생성
        }
        return instance;
    }
}

 

5. Double-Checked Locking -> 사용 지양

위의 문제를 해결하기 위해, 최초 초기화할 때만 synchronized를 적용하고, 이미 만들어진 인스턴스를 반환할 때는 사용하지 않도록 하는 기법입니다. 이 때, 인스턴스 필드에 volatile 키워드를 사용합니다.(I/O 불일치 문제 해결)

장점 : 매번 synchronized 호출로 인한 성능 하락 방지

단점 : JVM 버전이 1.5 이상이어야 하며, JVM에 따라 Thread Safe하지 않는 경우가 발생합니다. → 사용 지양

💡 Java에서는 쓰레드를 여러개 사용할경우, 성능을 위해서 각각의 쓰레드들은 변수를 메인 메모리(RAM)으로부터 가져오는 것이 아니라 캐시(Cache) 메모리에서 가져오게 됩니다. 문제는 비동기로 변수값을 캐시에 저장하다가, 각 쓰레드마다 할당되어있는 캐시 메모리의 변수값이 일치하지 않을 수 있습니다. 이 경우 volatile 키워드를 통해 이 변수는 캐시에서 읽지 말고 메인 메모리에서 읽어오도록 지정해줄 수 있습니다.

class Singleton {
    // 싱글톤 클래스 객체를 담을 인스턴스 변수
    // volatile 키워드 적용
    private static volatile Singleton instance;

    // 생성자를 private로 선언 (외부에서 new 사용 X)
    private Singleton() {}
    
    // 외부에서 정적 메서드를 호출하면 그제서야 초기화 진행(lazy)
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            // synchronized를 메서드가 아닌 Singleton 클래스 자체에 건다.
            synchronized (Singleton.class)
            if(instance == null) {
                instance = new Singleton(); // 오직 1개의 객체만 생성
            }
        }
        return instance;
    }
}

 

6. Bill Pugh Solution (LazyHolder) ⭐

권장되는 두 가지 방법 중 하나로, 멀티쓰레드 환경에서 안전하고 Lazy Loading도 가능한 완벽한 싱글톤 기법입니다. 클래스 안에 내부 클래스(holder)를 두어, JVM의 클래스 로더 매커니즘과 클래스가 로드되는 시점을 이용합니다.

장점 : 앞서 언급한 모든 문제 해결

단점 : 클라이언트가 임의로 싱글톤을 파괴할 수 있습니다. (Reflection API, 직렬화/역질렬화를 통해)

Reflection API 간단히 알아보자.

class Singleton {
    // 생성자를 private로 선언 (외부에서 new 사용 X)
    private Singleton() {}
    
    // static 내부 클래스를 이용
    // Holder로 만들어, 클래스가 메모리에 로드되지 않고 getInstance 메서드 호출 시에 로드됨.
    private static class SingleInstanceHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    // 
    public static Singleton getInstance() {
        return SingleInstanceHolder.INSTANCE;
    }
}

 

7. Enum ⭐

권장되는 두 가지 방법 중 하나로, 멀티쓰레드 환경에서 안전하며, 클라이언트에서 Reflection을 통한 공격에도 안전합니다.

장점 : 앞서 언급한 모든 문제 해결

단점 : 싱글톤 클래스를 멀티톤(일반 클래스)로 Migration 해야 할 때 처음부터 코드를 다시 짜야 합니다. 또한, 클래스 상속이 필요할 때, enum type 외의 클래스 상속은 불가능합니다.

enum SingletonEnum {
    INSTANCE;

    private final Client dbClient;
	
    SingletonEnum() {
        dbClient = Database.getClient();
    }

    public static SingletonEnum getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public Client getClient() {
        return dbClient;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonEnum singleton = SingletonEnum.getInstance();
        singleton.getClient();
    }
}

 

결론적으로는, LaszHolder 방법은 성능이 중요시 되는 환경에서, Enum 방법은 직렬화와 안정성이 중요시 되는 환경에서 사용하면 좋다.

 

💡 마무리

싱글톤 패턴은

1. 프로그램의 클래스에 모든 클라이언트가 사용할 수 있는 단일 인스턴스만 있어야 할 때(ex. 단일 데이터베이스 객체)
2. 전역 변수들을 더 엄격하게 제어해야 할 때

에 사용할 수 있습니다.

 

오직 한 개의 인스턴스 생성을 보증하여 효율을 찾을 수 있지만, 모듈 간의 의존성이 높아지고, SRP, OCP, DIP를 위반합니다.(그래서 OOP의 안티 패턴이라고도 불린다.) 또한, TDD 단위 테스트에 애로사항이 있습니다.

 

따라서 싱글톤 패턴은 직접 만들어 사용하는 것보다는, Spring Container와 같은 프레임워크의 도움을 받으면 싱글톤 패턴의 문제점들을 보완하면서 장점을 누릴 수 있습니다.

 

스프링 프레임워크에서는 싱글톤 패턴이란게 없고 내부적으로 클래스의 제어를 Ioc(Inversion Of Control) 방식의 컨테이너에게 넘겨 컨테이너가 관리합니다. 따라서, 일반 객체도 하나의 인스턴스 뿐인 싱글톤으로 존재가 가능합니다.

 

 

싱글턴 패턴

💠 싱글톤(Singleton) 패턴 - 꼼꼼하게 알아보자