[디자인패턴] 싱글톤 패턴 (Singleton Pattern)

💡 싱글톤 패턴 (singleton pattern)
해당 클래스의 인스턴스가 하나만 만들어지고, 어디서든지 그 인스턴스에 접근할 수 있도록 하기위한 패턴

 

클래스에서 자신의 단 하나뿐인 인스턴스를 관리하도록 만드는 것이다.

다른 어떤 클래스에서도 자신의 인스턴스를 추가로 만들지 못하도록 해야한다.

■ 고전적인 싱글톤 패턴 구현

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    // 생성자 : 외부에서 생성하지 못하도록 private
    private Singleton(){}

    // 생성자 대신 생성할때 사용할 getInstance() 메소드
    public static Singleton getInstance(){
        if (uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }

}

uniqueInstance를 null 을 체크하여 생성하므로 유일한 인스턴스가 저장된다. 필요한 상황이 되기 전까지 생성하지 않으므로 게으른 인스턴스 생성 (lazy instantiation) 이라 한다.

 

이렇게 생성하고 그냥 봐서는 별다른 문제가 없어보인다. 문제가 없을까?

멀티쓰레드 일 때,  2개의 쓰레드에서 Singleton.getInstance() 메소드를 실행시킨다고 가정해보자.

 

문제점 : 멀티 쓰레드 환경에서 취약

// 1번 쓰레드
public static Singleton getInstance(){ // -> uniqueInstance : null 이다
// 2번 쓰레드로 제어권 넘어감
public static Singleton getInstance(){ // -> uniqueInstance : null 이다
// 1번 쓰레드로 제어권 넘어감
if (uniqueInstance == null) { // 조건 만족
// 2번 쓰레드로 제어권 넘어감
if (uniqueInstance == null) { // 조건 만족
// 1번 쓰레드로 제어권 넘어감
uniqueInstance = new Singleton(); // uniqueInstance : Object1 인스턴스 생성
return uniqueInstance // Object1 인스턴스 리턴
// 2번 쓰레드로 제어권 넘어감
uniqueInstance = new Singleton(); // uniqueInstance : Object2 인스턴스 생성
return uniqueInstance // Object2 인스턴스 리턴​

결과적으로 이런 동작으로 인해 서로 다른 두 개의 객체 (Object1, Object2) 가 생성되어 버린다.

즉, 쓰레드 세이프 (thread safety) 하지 않다.

 

해결방법은 없을까? 쓰레드 세이프 하게 구현하는 방법은 없을까?

■ 동기화 (synchronized) 키워드로 해결하는 방법

getInstance()를 동기화시켜, 멀티스레딩 문제를 간단히 해결할 수 있다.

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {}

    // 동기화 : synchronized 추가
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

문제는 해결된다. 그러나 동기화는 오버헤드를 증가시킨다.

동기화가 꼭 필요한 시점은 메소드가 시작되는 때 뿐이다.

uniqueInstance 변수에 Singleton 인스턴스를 대입하고 나면 굳이 동기화 상태로 유지시킬 필요가 없어진다.

 

■ 더 효율적인 방법은 없을까?

1. getInstance()의 속도가 그리 중요하지 않다면 그냥 둔다.

getInstance() 메소드가 어플리케이션에 큰 부담을 주지 않는다면 그냥 두자. 동기화시키는 것이 그리 어렵지 않고, 효율적으로 괜찮을 수 있다. 단, 메소드를 동기화 시키면 성능이 100배 정도 저하된다는 것을 기억해 두자. 만약, getInstance()가 어플리케이션에 병목으로 작용되면 다른 방법을 생각해야 한다.

2. 인스턴스를 필요할 때 생성하지말고 처음부터 만들어 버리자. (이른 초기화 : eager initialization)

public class Singleton {
    // 이른 초기화 : 인스턴스를 처음에 생성
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

어플리케이션에 반드시 Singleton의 인스턴스를 생성하고, 항상 사용한다면 또는 실행중에 수시로 만들고 관리하기가 번거롭다면 처음부터 Singleton 인스턴스를 만들어버리자. 이는 클래스가 로딩될 때 JVM에서 Singleton의 유일한 인스턴스를 생성해준다.

getInstance() 에서 생성되어 있는 하나의 인스턴스를 바로 리턴해주므로 쓰레드 세이프 하다.
단점은 미리 만든다는것 그 자체가 될 수 있다.

리소스를써서 인스턴스를 미리 생성해두었는데, 사용하지않는다면 자원낭비가 된다.

 

그래서 쓰레드 세이프 하면서 사용이 될 때 만들고 싶어진다. (Thread Safety, Lazy Initialization)

그러자니 synchronized 를 사용해야하니 비용이 신경쓰인다.

 

3. DCL (Double-Checking Locking) 을 써서 getInstance() 에서 동기화되는 부분을 줄이자.

public class Singleton {
    // volatile을 사용
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {}

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

아래 방법보다 왜 효율적일까?

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

getInstance() 를 호출할때마다 동기화 매커니즘을 사용하지 않는다. 먼저 인스턴스가 생성되어있는지 확인 후, 생성되지 않았을때만 synchronized 를 할 수 있다. 멀티쓰레드가 빈번한 경우를 대비해서 더블 체크 하는 방식으로 synchronized 를 사용하므로 성능적으로 당연히 더 우수하다.

 

문제는 volatile 키워드를 사용한다는 것이 될 수 있다.

volatile 키워드를 사용하면 자바의 일종의 최적화인 리오더링을 회피하여 읽기와 쓰기 순서를 보장, 멀티스레딩을 쓰더라도 uniqueInstance변수가 Singleton인스턴스로 초기화 되는 과정이 올바르게 진행되도록 할 수 있다. (DCL은 1.5이상 버전에서만 가능)

 

(참고) 리오더링 : 보통 컴파일 과정에서 일어나며, 프로그래머가 만들어낸 코드는 컴파일 될 때 좀더 빠르게 실행될 수 있도록 조작이 가해져 최적화 됨

→ 모든 JVM구현에서 작동하는것을 보장할 수는 없기 때문에 DCL은 사용하지 않는게 좋다.

 

4. static inner 클래스를 사용하는 방법

public class Singleton {

    private Singleton() {}
    
    // static inner 클래스 사용
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton UNIQUE_INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.UNIQUE_INSTANCE;
    }
}

멀티쓰레드 환경에서 안전하며, getInstance() 가 호출될 때 생성되므로 Lazy Initialization 이다.

 

UML Class Diagram