Singleton 패턴

Java의 Singleton 패턴

목차

  1. Singleton 패턴이란

  2. Singleton 패턴 사용하는 이유

  3. Singleton 패턴 예시

  4. Singleton 패턴의 문제점

  5. 멀티 스레딩 문제 해결방법

  6. 정리하면

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.

  1. 싱글톤 인스턴스 (static 참조 변수로 정의되어야 함)

  2. private 접근 제어자가 지정된 생성자 (외부에서 new로 객체 생성할 수 없도록)

  3. 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

  1. 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);
  }
}

  2. 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

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