Singleton 패턴

Singleton 패턴이란

💡 객체를 하나만 생성 하도록 하며, 생성된 객체를 어디에서든지 참조할 수 있도록 하는 패턴

클래스에서 하나뿐인 인스턴스를 관리하고, 인스턴스로 추가로 만들지 못하도록 막아야 한다
어디에서든지 참조할 수 있도록(전역 접근 가능) 해야함
공유 객체이기 때문에 속성을 갖게 되면, 여러 스레드에서 변경하면 문제가 생길 수 있다.

Singleton 패턴 사용하는 이유

💡 메모리에 한번만 할당된다는 장점이 있다.

최초로 메모리 할당 후에는 이미 생성된 인스턴스를 활용하여, 메모리/속도 측면에서 효율적이다.
또한 데이터 공유가 쉽다. (싱글톤 인스턴스가 전역에서 접근가능하기 때문에) 다만, 동시성 문제가 발생할 수 있다.

Singleton 패턴 예시

싱글턴 패턴을 구현하려면 다음 3가지가 필요하다.

싱글톤 인스턴스 (static 참조 변수로 정의되어야 함)
private 접근 제어자가 지정된 생성자 (외부에서 new로 객체 생성할 수 없도록)
외부에 싱글톤 인스턴스를 반환하는 메소드 (static으로 정의)

public class Printer {

  static Printer printer; // 1) 정적 참조 변수

  private Printer() { } // 2) private으로 생성 (Printer 생성자를 외부에서 사용 불가)

    public static Printer getPrinter(){   // 3) 객체 반환 메소드 (어디서든 외부에서 접근이 가능하도록!)
    if (printer == null) {
      printer = new Printer();
    }
    return printer;

  }
}

Singleton 패턴의 문제점

다중 스레드에서는 싱글톤 인스턴스에 동시에 여러 스레드가 접근하는 Race Condition 문제가 발생할 수 있다. (Race Condition : 메모리와 같은 동일한 자원을 2개 이상의 스레드가 이용하려고 경합하는 현상)

=> 멀티스레딩 환경에서 발생할 수 있는 동시성 문제 해결을 위해 syncronized 키워드를 사용해야 한다.

그 외

멀티 스레드 환경에서 동기화 처리를 하지 않았을 때, 인스턴스가 2개가 생성되는 문제도 발생할 수 있다.
테스트하기 어렵다 → 자원을 공유하고 있기에 테스트를 수행하려면 매번 인스턴스 상태를 초기화해주어야 한다.
클라이언트가 구체적인 클래스에 의존하게 된다. → SOLID 원칙 중 DIP를 위반

멀티 스레딩 문제 해결방법

1번. 정적 변수에 인스턴스를 만들어 바로 초기화하는 방법 (Eager Initialization)

멀티 스레드 환경에서 동기화 처리를 하지 않았을 때, 인스턴스가 2개가 생성되는 문제도 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 해결하기 위한 방법
인스턴스가 필요할 때 생성하지 말고 처음부터 만드는 방법
어플리테이션 실행 중에 생성하고 관리하지 않고 JVM에서 클래스 로딩될 때 생성

public class Printer {

// static 변수에 외부에 제공할 자기 자신의 인스턴스를 만들어 초기화
private static Printer printer = new Printer();

private Printer() { }

// 자기 자신의 인스턴스를 외부에 제공
public static Printer getPrinter(){
return printer;
}

public void print(String str) {
System.out.println(str);
}
}

2번. 인스턴스를 만드는 메서드에 동기화하는 방법 (Thread-Safe Initialization)

synchronized 키워드를 활용하여 동기화하기! → getInstance()에 Lock을 하는 방식이라 속도가 느리다.

public class Printer {

// 외부에 제공할 자기 자신의 인스턴스
private static Printer printer = null;

private int counter = 0;

private Printer() { }


// 인스턴스를 만드는 메서드 동기화 (임계 구역)
public synchronized static Printer getPrinter(){
  if (printer == null) {
  printer = new Printer(); // Printer 인스턴스 생성
  }
  return printer;
}

public void print(String str) {
// 오직 하나의 스레드만 접근을 허용함 (임계 구역)
// 성능을 위해 필요한 부분만을 임계 구역으로 설정한다.
  synchronized(this) {
    counter++;
    System.out.println(str + counter);
    }
  }
}

정리하면

싱글톤 패턴은 인스턴스를 하나만 생성하여 메모리 공간을 효율적으로 사용한다. 또한 인스턴스가 전역 접근 가능하기에 데이터 공유가 쉽다. 하지만 전역 접근이 가능하기에, 멀티 스레드 환경에서 동시성 문제가 발생할 수 있다. 동시성 문제를 해결하기 위해 getInstance()에 synchronized키워드를 활용하여 동기화하자.

Reference

https://tecoble.techcourse.co.kr/post/2020-11-07-singleton/
https://gmlwjd9405.github.io/2018/07/06/singleton-pattern.html

sooyoungh