싱글톤 패턴

싱글톤 패턴

Jan 23, 2022

java

이번 포스팅에선 JAVA에서의 싱글톤 패턴(Singleton pattern)에 대해 알아보고자 한다.

Singleton 이란 무엇인가

어떤 클래스가 최초 한번만 메모리를 할당(Static)하고 그 메모리에 객체를 만들어 사용하는 디자인 패턴
생성자의 호출이 반복적으로 이루어져도 실제로 생성되는 객체는 최초 생성된 객체를 반환한다.
보통 아래의 코드와 같이 사용한다.

public class ExampleClass{
    // insatance
    private static ExampleClass instance = new ExampleClass();

    //private constructor
    private ExampleClass(){}

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

위 코드에서는 Instance라는 전역 변수를 선언하였는데 static을 줌으로써 인스턴스화 하지 않고 사용할 수 있게 하였지만, 접근 제한자가 private로 되어 있어 직접적인 접근은 불가능하다.
또한, 생성자도 Private로 되어 있어 new 를 통한 객체 생성도 불가능하다. 결국, getInstance 메서드를 통해 해당 인스턴스를 얻을 수 있게 된다.

Singleton 을 사용하는 이유

한 번의 객체 생성으로 재사용이 가능하기 때문에 메모리 낭비를 방지할 수 있음.
싱글톤으로 생성된 객체는 무조건 한 번 생성으로 전역성을 띄기에 다른 객체와 공유가 용이함.
당연히, 문제점도 존제한다.

Singleton 의 문제점

전역성을 띄면서 다른 객체와 공통으로 사용하는 경우와 같은 몇 가지의 케이스만 효율적이며, 그 이외에는 문제점이 생길 수 있다.
싱글톤으로 만든 객체의 역할이 간단한 것이 아닌 역할이 복잡한 경우라면 해당 싱글톤 객체를 사용하는 다른 객체간의 결합도 가 높아져 객체 지향 설계 원칙에 어긋나게 된다.(Open-Closed principle, 개방 폐쇄 원칙)
해당 싱글톤 객체를 수정하는 경우 싱글톤 객체를 사용하는 곳에서 Side effect 가 발생할 확률이 높아지며, multi-thread 환경에서 동기화 처리 문제 등이 생기게 된다.

다양한 Singleton 의 구현

싱글톤을 구현하는 방법은 몇 가지가 있는데, 아래와 같이 이루어져 있다.

static block

public class ExampleClass{
    // insatance
    private static ExampleClass instance;

    //private constructor
    private ExampleClass(){}

    static{
        try{
            instance = new ExampleClass();
        }
        catch(Exception e){
            throw new RuntimeException(e.getMessage());
        }
    }
    
    public static ExampleClass getInstance(){
        return instace;
    }
}

위와 같이 static 블럭을 사용하는 경우 클래스의 특징 중 하나인 클래스가 생성될 떄 단 한 번만 실행하는 특성을 활용한다. 그러나 인스턴스가 사용되는 시점이 아닌 클래스 로딩 시점에 실행이 되는 문제가 있다.

lazy initialization

위 static 방법에서 개선하여 클래스의 로딩 시점이 아닌(생성 시점) 인스턴스가 필요하여 요청할 때 생성되는 형태로 작성하였다.

public class ExampleClass{
    // insatance
    private static ExampleClass instance;

    //private constructor
    private ExampleClass(){}

    public static ExampleClass getInstance(){
        if (instance == null) { 
            instance = new ExampleClass();
        }
        return instance;
    }
}

그러나 위의 형태로 구현할 경우 multi-thread 환경에서 취약하다.
특정 Thread가 동시에 getInstance()를 호출한다면 인스턴스가 두 번 생성되는 문제가 발생한다.

Thread safe + Lazy

public class ExampleClass{
    // insatance
    private static ExampleClass instance;

    //private constructor
    private ExampleClass(){}

    public static synchronized ExampleClass getInstance(){
        if (instance == null) { 
            instance = new ExampleClass();
        }
        return instance;
    }
}

Lazy에서 보였던 GetInstance() 메서드에 synchronized 키워드를 붙임으로서 Thread에서 동시 접근에 대한 문제를 해결하였다.
그러나, synchronized 키워드는 성능의 저하를 발생시킨다.

Holder

public class ExampleClass{
    //private constructor
    private ExampleClass(){}

    private static class InnerInstanceClazz(){
        private static final ExampleClass instance = new ExampleClass();
    }

    public static ExampleClass getInstance(){
        return InnerInstanceClaszz.instance;
    }
}

JVM의 클래스 로더 매커니즘과 클래스의 로드 시점을 이용하여 내부 클래스를 통해 생성 시킴으로서 Thread 間 동기화 문제를 해결한다
위 방법은 현재 Java Singleton 생성에서 사용하는 가장 대표적인 방법이다.

정리

Singleton pattern은 Spring framework에서도 많이 사용되며, 어떤식으로 구현하는지 알아두면 굉장히 많은 도움이 된다.
Java와 Spring에서의 Singleton 차이점이라면, Singleton 객체의 생명주기가 다르긴 하다.
또한, Java에서 공유 범위는 Class loader 기준이지만, Spring에서는 ApplicationContext가 기준이 된다.

설명 출처

Syon