[디자인패턴] 싱글톤 패턴

싱글톤(Singleton) 패턴

• 한번 생성하면 해당 클래스를 사용하는 곳은 하나의 객체로 사용하도록 하는 패턴
• 장점
  • 하나의 객체만 생성하기 때문에 메모리 낭비가 방지됨
  • 두번째 사용부터는 객체 로딩 속도가 줄어들어 성능 향상 효과가 있음
• 단점
  • 하나의 인스턴스가 너무 많은 일을 하거나 공유될 경우 사용하는 다른 클래스들간의 결합도가 높아져 수정이 어려워지고 유지보수가 어려워짐

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public class SingletonSample {
   private static SingletonSample instance;
   private SingletonSampe() {
     
   }
   public static SingletonSample getInstance() {
       if (instance == null) {
           instance = new SingletoneSample();
       }
       return instance;
   }
}

내가 주로 사용했던 방식이다. 관습적으로 사용했던 싱글톤 패턴인데 이번 기회에 싱글톤 패턴을 학습하며 멀티 쓰레드 환경에서는 의도치 않게 2개의 인스턴스가 생길 여지가 있다는 것을 알게 되었다.

Thread Safe 싱글톤 패턴

• LazyInitailization 싱글톤

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

• Thread Safe한 가장 쉽게 생각할 수 있는 싱글톤 패턴이다.

• 싱글톤 객체의 인스턴스를 호출할 때마다 synchronized 되며 synchronized 특성상 속도 저하가 발생할 수 있다.
  (통상 100배 정도의 성능 저하가 발생할 수 있다고 한다..)

• Double Checked Locking 싱글톤

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

  • 인스턴스의 첫 생성 이후 synchronized를 타지 않기 때문에 성능 저하를 완화한 기법이다.
  • new 키워드를 통해 인스턴스를 생성할 때 아래와 같은 순서를 통해 생성하게 된다.
    1. 메모리 공간 확보
    2. 변수에 메모리 공간 링크
    3. 해당 메모리에 오브젝트 생성
  • 이때 재배치(reordering) 과정에 의해 잘못된 객체 참조 문제가 발생할 수 있다.
  • 그렇기 때문에 선호되지 않는 방식이다.
• volatile을 이용한 DoubleCheckedLocking 싱글톤

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

  • volatile 키워드를 이용하여 선언할 경우 오브젝트 생성, 메모리에 배치까지 바로 업데이트가 되어 reordering 문제가 해소될 수 있다.
  • 하지만 이 것은 컴파일러의 reordering이 해결된 것으로 cpu 레벨에서도 성능 향상을 위해 비순차 실행 기법을 활용하고 있으므로 컴파일러와 무관하게 런타임 중에 reordering 문제가 발생할 가능성은 여전히 존재한다.
  • 또한, volatile의 특성상 메모리에 직접 접근(캐시 미사용)하여 성능이 느리다는 단점이 있다.
• Lazy Holder 패턴 싱글톤

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  public class Single { private Single() { } public static Single getInstance() { return LazyHolder.INSTANCE; } private static class LazyHolder { public static final Single INSTANCE = new Single(); } }

  • 현재까지의 싱글톤 방법 중 가장 완벽하다고 이야기 하는 패턴이다.
  • Single 클래스에는 LazyHolder 클래스의 변수가 없기 때문에 Single 클래스 로딩 시 LazyHolder 클래스는 초기화 되지 않는다.
  • LazyHolder 클래스는 Single 클래스의 getInstance() 메소드가 호출 될 때에 해당 메소드에서 LazyHolder.INSTANCE 를 참조하는 순간 클래스가 로딩되며 초기화가 진행 된다.
  • 클래스 로더에 의한 초기화는 내부적으로 동기화가 이루어지므로 Thread Safe한 싱글톤을 안전하게 만들 수 있다.
• enum 을 이용한 싱글톤

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

  • enum 내 상수는 static final로 선언되어 있어 전역에서 접근이 가능하고 클래스가 로드될 때 초기화가 이루어진다. 그리고 enum은 컴파일 시에 값을 가지며 런타임 시에 값이 설정되면 안되기에 생성자로 인한 생성도 불가능하다.
  • 위의 다른 싱글톤에서 private 생성자를 사용하였지만 런타임에 Reflection을 통해 private 생성자를 깨트릴 수 있는 여지가 있지만 enum을 사용하게 되면 Reflection을 통해 private 생성자 깨트림 문제가 발생하지 않는다.