Singleton Pattern

Singleton Pattern 정리

싱글톤 패턴이란?

싱글턴은 클래스에 인스턴스가 하나만 있도록 하면서 이 인스턴스에 대한 전역 접근(액세스) 지점을 제공하는 생성 디자인 패턴이다.

즉, 데이터 베이스와 같은 경우 하나의 인스턴스만을 가져야 한다. 이럴 때 싱글톤 패턴을 사용한다.(인스턴스가 1개만 있음을 보증)

[설계 패턴 수업에서]

- 디자인 패턴이 아닌 코딩 패턴으로 보는 사람도 있음(경계에 속함)
- 여러 가지 이유로 인스턴스를 하나만 생성하고, 클래스를 통해 참조만 하게함

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {
        // 생성자는 외부에서 호출못하게 private 으로 지정해야 한다.
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    public void say() {
        System.out.println("hi, there");
    }
}

병행성

*병행성 조심

여기 아래의 방법은 간단히 getInstance 뿐만 아니라 병행성 프로그래밍에 대해 고려해볼만한 문제를 제시한다.

1. Lazy Initialization

아래와 같이 이미 클래스 내의 전역변수로 생성 → 안쓰이는 경우 자원 낭비

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    // other useful instance variables
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
        // other useful methods }
    }
}

1. Eager Initialization

혹은 getInstance 함수에 병행성 코드 추가 → lock이니 성능저하

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    // other useful instance variables
    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
        // other useful methods }
    }
}

1. DCL(double checked locking) (java 1.5 이상에서 보장) → 성능 우수하나 + 구현이 어렵다.

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

[Java 병행성, v1.5 ~ ]

• Synchronize: 해당 블락에 대한 접근자체에서 lock을 통해 병행성 관리
• Volatile: 해당 변수에 대중

고려사항

• class를 전부 static하게, 클래스끼리 공유가능하게 만들면 싱글톤이랑 똑같은 기능을 수행할 수 있다.

하지만, 정적 초기화 단계에서 여러 에러가 발생할 수 있으며 발생한 에러는 찾기 힘들다.

• 클래스 로더

[클래스로더란?]

자바 클래스들은 컴파일때 로드되지 않고, 동적으로 필요할 때 로드된다. 클래스 로더는 JRE의 일부로써 런타임에 클래스를 동적으로 JVM에 로드 하는 역할을 수행하는 모듈이다. 자바의 클래스들은 자바 프로세스가 새로 초기화되면 클래스로더가 차례차례 로딩되며 작동한다.

[발생할 수 있는 문제]

클래스 로더가 여러 개라면, 각기 다른 싱글톤 인스턴스를 1개씩 소유할 수 있다. 이때 문제가 발생하므로, 클래스 로더를 지정하거나 이를 방지해야 한다.

• 직렬화와 리플렉션

https://inpa.tistory.com/entry/JAVA-☕-싱글톤-객체-깨뜨리는-방법-역직렬화-리플렉션#역직렬화로_깨지는_싱글톤에서 자세하게 확인할 수 있다.

• loose coupling 원칙

싱글톤 방법을 사용하면, 싱글톤 클래스가 변경되면 관련된 모든 클래스를 변경해야 한다. 즉, 대부분의 클래스가 싱글톤 클래스의 내부를 알아야하며 이는 느슨한 결합 원칙에 위배된다.

• 전역변수와의 차이

동기화를 고려하여 생성하면, 병행성부분의 3번 혹은 2번 경우라면 전역변수와 다르게 한번이라도 사용해야 생성한다. 또한, 클래스이기에 접근제어자 등 여러 장점이 있다.

결과적으로?

그래서 나온 Enum 아래와 같이 enum으로 클래스를 지정한다. enum은 자바에서는 상수가 아닌 클래스처럼 사용할 수 있다. 또한, enum은 시작 시 한번만 초기화하기에 싱글톤 원칙을 지키며, atomic하게 처리되기에 멀티 쓰레드에서도 안전하다.

아래는 헤드퍼스트 관련 코드 예시이다.

public enum Singleton {
	UNIQUE_INSTANCE;
 
	// other useful fields here

	// other useful methods here
	public String getDescription() {
		return "I'm a thread safe Singleton!";
	}
}

아래와 같이 사용하면 된다.

public class SingletonClient {
	public static void main(String[] args) {
		Singleton singleton = Singleton.UNIQUE_INSTANCE;
		System.out.println(singleton.getDescription());
	}
}

싱글톤 패턴의 단점

• 싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어간다.
• 의존관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존한다. DIP를 위반한다.
• 클라이언트가 구체 클래스에 의존해서 OCP 원칙을 위반할 가능성이 높다.
• 테스트하기 어렵다.
• 내부 속성을 변경하거나 초기화 하기 어렵다.
• private 생성자로 자식 클래스를 만들기 어렵다.
• 결론적으로 유연성이 떨어진다.
• 안티패턴으로 불리기도 한다.