싱글톤 패턴 (Singleton Pattern)

디자인 패턴

싱글톤 패턴 (Singleton Pattern)

개발정리 2022. 6. 4. 17:27

싱글톤 패턴이란?

인스턴스를 오직 하나만 제공하는 패턴
생성자가 여러차례 호출되더라도 계속해서 같은 객체를 리턴한 한다.
환경 세팅에 대한 정보 등 인스턴스가 여러개 일때 문제가 발생할 수 있는 경우가 있는데, 이 때 싱글톤 패턴을 사용하여 해결

기본 싱글톤 패턴 구현

package singleton;

public class Settings {
  private static Settings instance; 
  private Settings() {}
  public static Settings getInstance() {
    if (this.instance == null) {
      this.instance = new Settings();
    }
    return this.instance;
  }
}

1. 생성자를 private으로 만든 이유?

new 를 사용해서 인스턴스를 생성하면 계속해서 인스턴스가 새로 만들어지기 때문에, 이를 막으려면 생성자를 pirvate 으로 선언해야 한다.

2. getInstance() 메소드를 static 으로 선언한 이유?

외부에서 생성자를 호출 못하도록 private 으로 막아 놓았기 때문에 외부에서는 인스턴스를 만들지 못한다. 따라서 해당 메서드를 호출하려면 전역으로 설정해두어야 한다.

3. getInstance()가 멀티 쓰레드 환경에서 안전하지 않은 이유?

여러 쓰레드가 인스턴스 생성 함수를 동시에 접근할 경우 각각의 다른 인스턴스가 생성된다.

멀티쓰레드 환경에서 안전하게 구현하는 방법

[방법 1]

synchronized 키워드를 사용하여 여러 쓰레드가 동시에 접근하지 못하도록 막는다.
단점은 Synchronized 키워드 사용하면, 해당 메서드가 호출될때마다 동기화 처리 작업을 수행해야하는데 이는 성능에 불이익이 있을 수 있다.
- lock 을 사용해서 lock 을 가지고 있는 쓰레드만 접근할 수 있게끔 하는 메커니즘으로 되어져 있다.

package singleton;

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

[방법 2]

이른 초기화 (eagar initialization) 사용하기
해당 인스턴스를 클래스가 로딩되는 시점에 생성되도록 미리 만드는 방법이다.
단점은 미리 만든다는 자체가 단점이 될 수도 있다.
- 사용하지 않을수도 있는데, 메모리를 많이 차지하는 인스턴스 일 경우 미리 만들어 놓는것 자체가 부담일 수 있다.

public class Settings {
  private static final Settings INSTANCE = new Settings();
  private Settings() {}
  public static Settings getInstance() {
    return INSTANCE;
  }
}

[방법 3]

double cheked locking 사용하기
인스턴스 존재 여부를 체크한 후 synchronized block 안에서 한번 더 체크를 한다.
getInsance( ) 를 호출할 때마다 매번 synchronized 가 걸리지 않으며, 이미 인스턴스가 있는 경우에는 동기화 메커니즘이 동작하지 않아 효율적이다.
해당 인스턴스가 필요한 시점에 만들수 있다는 장점을 가질 수 있게된다.
단점은 복잡하다. 필드에 volatile 키워드를 따로 주어야만 해당 기법이 완성된다. 왜 volatile 써야하는지를 이해하려면 java 1.4 이하 버전에서 java 가 멀티쓰레드 환경에서 메모리를 어떻게 다루었는지까지도 이해하고 있어야한다.

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

[방법 4]

static inner 클래스 사용하기
이 방법은 권장하는 방법 중 하나이다.
멀티 쓰레드 환경에서도 안전하고, LazyLoading 도 가능하다.
double chehked locking 처럼 복잡한 이론 배경을 알 필요도 없다.

package singleton;

public class Settings {
  private Settings() {}

  private static class SettingsHolder {
    private static final Settings INSTANCE = new Settings();
  }

  public static Settings getInstance() {
    return SettingsHolder.INSTANCE;
  }
}

문제는 위 방법을 깨트릴 수 있는 다양한 방법이 존재한다.

[방법 1] 리플렉션

public class Main {
  public static void main(String[] args)
      throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
    Settings settings = Settings.getInstance();

    // [방법1]
    // 리플렉션을 사용하여 new 연산자를 이용한것과 같이 인스터스를 생성했다.
    Constructor<Settings> constructor = Settings.class.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Settings settings2 = constructor.newInstance();

	// singleton 이 깨진것을 확인 할 수 있다.
    System.out.println(settings.equals(settings2)); // fase
    System.out.println(settings == settings2); // fase
  }
}

[방법 2] 직렬화 역직렬화

public class Main {
  public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {

    // [방법2]
    // 직렬화 & 역직렬화
    // 자바는 오브젝트를 파일 형태로 디스크에 저장해뒀다가(직렬화) 다시 읽어 드릴수 있다.(역직렬화)
    // 파일로 저장해뒀다가 로딩할 수 있다는 뜻이다.

    Settings settings = Settings.getInstance();
    Settings settings2 = null;

    // 1) 직렬화
    try (ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("settings.obj"))) {
      out.writeObject(settings); // 여기서 객체가 파일에 써진다.
    }

    // 2) 역직렬화
    try (ObjectInput in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("settings.obj"))) {
      settings2 = (Settings) in.readObject();
    }
    // 역직렬화를 하게되면 생성자를 사용해서 새로 인스턴스를 만들어준다.
    System.out.println(settings == settings2); // false

    // 하지만 대응 방안이 있다. 
    System.out.println(settings == settings2); // true
  }
}

Serializable 과정을 거친 인스턴스는 싱글톤으로 유지가 되지 않는다.
이는 대응 방안이 존재한다.
역직렬화 시 readResolve( ) 메서드가 내부적으로 호출되는데, 이때 임의로 이전에 만들어진 인스턴스가 호출되도록 설정하면 된다.

public class Settings implements Serializable {
  public Settings() {}

  private static class SettingsHolder {
    private static final Settings INSTANCE = new Settings();
  }

  public static Settings getInstance() {
    return SettingsHolder.INSTANCE;
  }

  // 역직렬화 대응 방안.
  // 역직렬화 시 해당 메서드가 자동으로 호출되는데, 원래는 Settings 인스턴스를 내려주게된다.
  // 하지만 우리는 임의로 원래의 인스턴스가 내려가도록 설정해두어 singleton 을 지킬 수 있다.
  protected Object readResolve() {
    return getInstance();
  }
}

리플렉션과 직렬화/역직렬화를 이용하여 싱글톤을 깨트리는것 까지 막고싶은 경우엔 Enum 을 사용하자.

enum 으로 singleton 구현시 리플렉션(Reflection)에 안전한 코드가 된다.
enum 은 리플렉션에서 new 인스턴스를 사용 할 수 없도록 막아놨기 때문이다.
enum 에서도 생성자, 프로퍼티, 메서드 모두 구현이 가능하다.
직렬화 / 역직렬화를 통해 인스턴스 생성 시에도 안정적이다.
- enum 은 기본적으로 Serialize 를 구현하고 있는데 이때 같은 인스턴스가 반환되도록 설정되어있다.
단점은 클래스를 로딩하는 순간 미리 만들어진다는 점과 상속을 사용하지 못한다.
그것이 크게 문제가 되지 않는다면, 가장 완벽한 방법일 수 있다.

package Singleton;

public enum Settings {
  INSTANCE;
}

1. 자바에서 enum을 사용하지 않고 싱글톤을 구현하는 방법은?

생성자를 private 으로 설정한 다음, 인스턴스를 생성할 메서드를 하나 구현한다.
이때 인스턴스를 생성해주는 메서드는 public static 으로 설정하여 외부에서 전역 메서드로 호출되어질수 있게끔 설정한다.
위 방법과 동일하게 생성하지만 synchronized 키워드 설정하여 멀티쓰레드를 막는 방법
이른 초기화 방법 (이는 static 한 필드들이 초기화 되는 시점에 인스턴스가 생성되도록 하는 방법이다. 멀티쓰레드를 막는 방법)
double checked locking 방법 (인스턴스가 없는 경우에만 synchronized 가 걸린다.)
syncronized block 을 설정하여 해당 block 전/후로 인스턴스 존재 여부를 확인한 후 인스턴스가 생성되도록 한다.
static inner 클래스를 사용하는 방법 (권장)

2. private 생성자와 static 메소드를 사용하는 방법의 단점은?

멀티쓰레드 환경에서 안전하지 않을 수 있다.
리플렉션과 직렬화&역직렬화를 이용하여 새로운 인스턴스 생성이 가능해진다.

3. enum 을 사용해 싱글톤 패턴을 구현하는 방법의 장점과 단점은?

리플렉션과 직렬화&역직렬화를 이용했을때 새로운 인스턴스 생성을 막을 수 있다. (장점)
즉시 로딩(eager loading) 이 되어 인스턴스가 미리 만들어진다. (단점)
상속을 사용하지 못한다. (단점)

4. static inner 클래스를 사용해 싱글톤 구현

package singleton;

public class Settings {
  public Settings() {}

  private static class SettingsHolder {
    private static final Settings INSTANCE = new Settings();
  }

  public static Settings getInstance() {
    return SettingsHolder.INSTANCE;
  }
}

싱글톤 패턴, 실무에선 어떻게 쓰일까?

스프링에서 빈의 스코프 중에 하나로 싱글톤 스코프
자바 java.lang.Runtime

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
System.out.println(runtime.maxMemory());
System.out.println(runtime.freeMemory());

다른 디자인 패턴 구현체의 일부로 쓰이기도 한다.
- Builder Parttern
- Facade Parttern
- Abstract Factory Parttern

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