싱글톤 패턴

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싱글톤 패턴이란?

  • 하나의 애플리케이션 내에 특정 클래스에 대한 객체가 최초에 하나만 생성되도록 하는 패턴.


왜 사용할까?

  • 특정 클래스에 대한 하나의 객체만 생성하기 때문에 메모리를 절약할 수 있다.


싱글톤 패턴의 문제점

  • 멀티쓰레드 환경에서 동기화 처리를 하지 않으면 문제가 발생할 수 있다.
    • thread의 동시 접근 시 Thread-safe하게 작성해야 할 필요가 있다.
  • 일반적으로 private 생성자를 통해 구현하기 때문에 해당 클래스를 상속할 수 없다.
    • 객체지향의 장점인 다형성을 이용할 수 없다.
  • 테스트가 힘들다.
    • 클래스를 싱글톤으로 만들면 이를 사용하는 클라이언트를 테스트하기가 어려워 질 수 있다.
    • 타입을 인터페이스로 정의한 다음 그 인터페이스를 구현해서 만든 싱글톤이 아니라면 싱글톤 인스턴스를 가짜(mock) 구현으로 대체할 수 없기 때문이다
  • 싱글톤이 하나만 만들어지는 것을 보장하지 못한다.
    • 자바의 reflection을 이용하면 private 생성자를 사용했다고 하더라도 싱글톤을 쉽게 깨버릴 수 있다.
      • AccessibleObject.setAccessible을 사용하면 private 생성자를 호출할 수 있기 때문.


싱글톤 구현 방식

1. 고전적인 방식의 Singleton 패턴

public class Singleton { 
    private static Singleton instance; 
    
    // 접근 제한자가 private으로 설정된 생성자
    private Singleton() {
	  } 
    
    public static Singleton getInstance() { 
    	if (instance == null) {
        	instance = new Singleton();
    	} 
        return instance; 
    } 
}

문제점

  • 위의 코드는 멀티쓰레드 환경에서 문제가 발생할 수 있다.
    • A라는 Thread와 B라는 Thread가 실행되고 있다고 가정할 때, Thread A가 if (instance == null) 까지 진행한 상황에서 제어권이 Thread B로 넘어간 경우 Thread B역시 if (instance == null)가 수행 되어 인스턴스가 2개가 생성되는 문제가 발생한다.


2. synchronized 를 이용한 Singleton 패턴

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

문제점

  • synchronized getInstance()의 경우 인스턴스를 리턴 받을 때마다 Thread 동기화 때문에 불필요하게 lock이 걸리게 되어 비용 낭비가 크다.
    • 실제로 고전적인 방식에서 인스턴스가 2개 이상 생성될 확률은 매우 적다.
  • 즉, synchronized로 인한 성능 이슈가 발생한다.


3. Double-checked Locking을 이용한 Singleton 패턴

public 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;
    }
}
  • synchronized를 이용하는 방법에서 발생하는 성능 이슈를 최소화시키기 위해, 먼저 객체를 생성해야 하는지 확인하고(if문) 객체를 생성하는 경우에만 잠금을 획득하는 것으로 시작할 수 있다.
  • Singleton 객체에 volatile을 추가한 이유
    • thread-A, thread-B가 있고 core가 2개 있다고 가정하자.
    • thread-A에서 먼저 getInstance()를 호출하고 instance = new Singleton(); 코드를 실행하고 lock을 반환한 상태라고 가정해보자.
    • 이때, core가 가지고 있는 cache에만 instance 변수에 Singleton() 객체가 할당됐고, 실제 메모리상에는 instance 변수에 객체가 할당되지 않은 상태일 수 있다.
    • 이러한 상황에서 thread-B가 getInstance()를 호출한다면 if (instance == null) 조건을 통과할 수 있다.
    • 그렇기 때문에 객체가 2개 생길 수 있다.
    • 문제 상황을 정리하면 다음과 같다.
      1. thread-A가 생성한 instance가 메인 메모리에 존재하지 않는 경우
      2. thread-A가 생성한 instance가 메인 메모리에 존재하지만, thread-B를 점유하는 core의 cache에 존재하지 않는 경우
    • 이러한 문제를 volatile을 사용하여 해결할 수 있다.
    • 사실, 위와 같은 문제가 발생할 가능성은 굉장히 낮을 것으로 보이나 어쨋든 발생할 가능성이 있는 것이니, 꼭 volatile을 사용해 동기화 해야 한다.
      • 가능성이 없는것과 있는 것은 천지차이다.

문제점

  • 코드가 장황해져 읽기 어렵게 만든다.


4. static 초기화를 이용한 Singleton 패턴

public class Singleton { 
    private static Singleton instance = new Singleton(); // static 초기화 시 바로 할당 
    
    private Singleton() {
    } 
    
    public static Singleton getInstance() { 
    	return instance; 
    } 
}
  • 위의 방식은 멀티 쓰레드 환경에서 야기되는 모든 문제를 해결한다.
  • Thread-safe 하며 소스가 간결하고 성능도 좋다.
  • Thread가 getinstance()를 호출하는 시점이 아닌, Class가 로딩되는 시점. 즉 Static영역의 데이터 로딩시점에 private static Singleton instance = new Singleton(); 를 호출하여 하나의 인스턴스만 생성되는 것을 보장한다.

문제점

  • 실제로 사용할지 안할지 모르는 인스턴스를 굳이 미리 만들어 놓는 것이 옳지 않은 방법일 수 있다.
  • 애플리케이션이 인스턴스를 필요로 하는 시점이 아니라 사전에 생성하는 것은 메모리의 낭비일 수 있다.


5. LazyHolder Singleton 패턴

public class Singleton { 
    
    private Singleton() {
    } 
    
    public static Singleton getInstance() {
    	return LazyHolder.INSTANCE; 
    } 
    
    private static class LazyHolder {
    	private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
    } 
}
  • 가장 완벽하다고 평가받는 방법이다. JAVA 버젼에 무관하고 성능도 뛰어나다.
  • 이 방법은 static 영역에 초기화를 하지만 객체가 필요한 시점까지 초기화를 미루는 방식이다. (Lazy Initialization)
  • Singleton 클래스가 메모리에 로딩되는 순간에는 LazyHolder 클래스를 초기화 하지 않는다.
  • getInstance() 메서드에서 LazyHolder.INSTANCE를 참조하는 순간 LazyHolder Class가 로딩되어 초기화가 진행된다.


6. Enum을 통한 Singleton 패턴

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}
  • enum은 인스턴스가 여러 개 생기지 않도록 확실하게 보장해준다.
  • enum은 Thread-safety 하다.
    • 단, Enum 내의 다른 메소드에 대해서는 프로그래머가 thread safe를 직접 책임져야 한다.
  • enum은 Serialization을 스스로 해결한다.
    • 별도의 코드추가 없이 JVM은 기본적으로 Enum의 Serialization을 보장해준다.
    • 반면, 일반적인 싱글톤에서는 직렬화할 때, 싱글톤이 싱글톤이 아니게되는 문제가 발생한다.
      • 왜냐하면 직렬화 하려면 readObject()를 구현해야하는데, readObject()는 매번 새로운 인스턴스를 리턴하기 때문이다.
  • enum은 reflection 공격에 대한 방어가 가능하다.
  • 즉, enum은 Reflection 공격과 아주 복잡한 직렬화 상황에도 제2의 인스턴스가 생기는 일을 완벽히 방어할 수 있다.


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