싱글턴 패턴 Singleton Pattern

2021-02-02 • infoqoch •

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싱글턴 Singleton 이란?

인스턴스를 오직 한개만 만들어 제공하는 클래스
인터페이스나 상속을 사용하지 못한다. 결합도가 높아질 가능성이 높다.
가능한 최소한의 사용을 권장한다.
아래는 싱글턴을 구현하는 다양한 방법이다.

스레드에 안전하지 않은 방식

아래의 방식은 기본적인 스레드 구현 방식이다.
정적 맴버가
- null일 경우 새로 생성하여 대입한다.
- null이 아닐 경우 정적 맴버를 리턴한다.

class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            sleep(200); 
            INSTANCE = new Singleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

위의 방법은 멀티스레드로부터 안전하지 않다.

List<Singleton> list = new ArrayList<>();

ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
es.invokeAll(List.of(
		(() -> list.add(Singleton.getInstance()))
		, (() -> list.add(Singleton.getInstance()))
));

list.get(0) == list.get(1); // false

동기화

위의 메서드를 동기화한다. 단 하나의 스레드만 접근을 허용한다.
다만, 멀티스레드 상황에서 락이 발생할 수 있다.

public synchronized static Singleton getInstance() {
	// 상동
}

volatile과 double check locking

각각의 스레드가 점유하는 cpu캐시를 참조하지 않고 메인 메모리를 참조한다. 이를 통해 변수가 불일치함을 방어한다.
쓰기 작업에 대한 안전한 작업을 위하여 synchronized와 함께 DCL(double check locking)을 적용한다.

class Singleton {
    private static volatile Singleton INSTANCE;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

즉각 초기화와 final

현재까지의 구현은 복잡하고 길고 성능을 고민해야 하는 등 자바에 대한 많은 이해를 요구한다.
가장 단순하고 효과적인 방법을 선택한다.
맴버 변수에 인스턴스 선언과 동시에 초기화한다.
final을 사용할 수 있다.
다만, 클래스 로딩 시 즉각 초기화 된다. 사용하지 않을 경우 메모리 낭비가 될 수 있다.
final이므로 필드 자체를 public으로 공개할 수 있다. 하지만 내부 로직이 어떻게 변경될지 모르므로, 필드는 private으로 두고 정적 메서드로 리턴한다.

private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

public static Singleton getInstance() {
	return INSTANCE;
}

중첩 클래스와 지연로딩

중첩 클래스는 그것이 클래스임에도 불구하고 호출 될 때 로딩된다.
중첩 클래스에 static final 필드를 작성하여 유일함과 불변을 보장하는 싱글턴을 구현한다.
코드 작성이 쉽다. 지연로딩, final, thread-safety하다. 가장 선호하는 방식이다.

class Singleton {
    private Singleton() {}

	// 중첩 클래스는 호출할 때 로딩된다.
    private static class SingletonHolder  {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

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

리플렉션과 역직렬화

리플렉션과 역직렬화를 활용하여 인스턴스를 유일하지 않도록 만들 수 있다.
리플렉션은 enum이 아닌 이상 방어할 수 없다. 하지만 직렬화 사용 시 readResolve 메서드를 아래와 같이 정의하여 방어할 수 있다.

class SingletonSafe implements Serializable {
    protected Object readResolve(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

SingletonSafe i1 = SingletonSafe.getInstance();

SingletonSafe i2 = null;
try (ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("settings.obj"))) {
	out.writeObject(i1);
}
try (ObjectInput in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("settings.obj"))) {
	i2 = (SingletonSafe) in.readObject();
}

i1 == i2; // true

싱글턴을 우회하는 방법은 무엇이 있을까?

정적 메서드, 정적 맴버 변수
- 클래스 로더에 올라온 정적 메서드와 맴버 변수는 유일함을 보장 받는다.
- 다만, 인스턴스 맴버와 메서드를 참조할 수 없다. 인스턴스와 합성해야 할 경우 사용 불가능하다.
enum
- 각 상수마다 인스턴스를 생성하며 유일함을 보장받는다.
- 역직렬화를 하더라도 동일성(유일함)을 보장받는다.
- 리플렉션으로부터 안전하다.
- 다만, enum의 한계를 가진다. 상속을 할 수 없다. 일반 인스턴스보다 유연하지 않다.
싱글턴을 포기하고 필요할 때마다 새로운 객체를 생성한다.
- 굳이 싱글턴을 할 필요가 없으면 사용할 때마다 객체를 생성한다.
앞서의 세 방식이 권장된다. 불가능할 경우 싱글턴을 고려한다.

싱글턴이 필요할 때는 언제일까?

모듈이나 어플리케이션에 유일함을 보장받아야 하는 객체. 설정 정보 등.
인스턴스 생성에 리소스를 많이 사용하여 캐싱처리가 필요한 경우.
하나의 객체로 재사용이 유리할 때.
스프링은 스프링 컨텍스트를 활용하여 복잡한 싱글턴 패턴 적용 없이 빈의 유일함을 보장한다. 빈 관리는 스프링의 가장 중요한 강점 중 하나이다.

참조

백기선, 디자인 패턴 강의(https://www.inflearn.com/course/%EB%94%94%EC%9E%90%EC%9D%B8-%ED%8C%A8%ED%84%B4)

O’Reilly, “헤드 퍼스트 디자인 패턴”

조슈아블로크, “이펙티브 자바”

신용권, “이것이 자바다”