[Java] 디자인 패턴 (Singleton 패턴)

• 이 글은 "인프런 Java 디자인 패턴" 강의를 듣고 공부한 내용을 바탕으로 글을 작성하였습니다.

Singleton 패턴이란?

• 이 패턴은 주로 인스턴스 생성을 한번 한 후 전 구역에서 같은 인스턴스를 사용하고자 할 때 사용하는 패턴입니다.

• 이 패턴을 사용하면 전역 인스턴스이기 때문에 여러 클래스에서 똑같은 데이터를 공유하기 쉽다는 장점이 있습니다.

• 하지만 여러 클래스에서 싱글톤 인스턴스가 호출되고 사용된다면 자연스럽게 결합도도 증가하게 됩니다.

• 게다가 멀티스레드 환경에서는 동기화 작업이 필수적으로 진행되어야 합니다. (여러 인스턴스 생성 가능성이 있다.)

• 데이터베이스나 레지스트리 같은 단 하나로 존재해야 의미가 있을 때 사용하면 효과적입니다.

Singleton 사용

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

Singleton 객체를 다음과 같이 구현합니다.
getInstance 메소드를 static으로 구현하여 객체 생성을 하지 않아도 호출할 수 있도록 합니다.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();

        if(singleton == singleton1){
            System.out.println("같음");
        }else{
            System.out.println("다름");
        }

    }
}

• new 로 객체 생성하는 것을 막기 위해서 Singleton 객체에서는 생성자를 제한접근자를 사용해야 합니다.

• Main함수를 실행한 결과는 두 인스턴스 모두 같은 인스턴스인 것을 확인할 수 있습니다.

Sigleton 동기화

• 참조

여러 쓰레드에서 위 클래스의 getInstance 메소드를 호출하게 되면 동시에 작업을 하기 때문에 instance는 null로 판단하여 쓰레드에서 호출한 만큼 인스턴스가 생성할 것입니다. 이를 방지하기 위해 인스턴스 생성 전 한번 더 확인하는 방법을 사용하는데 쓰레드가 동시에 접근하지 못하도록 두 번째 확인하기 전에 락을 걸어주는 것이 일반적이라고 합니다.

1. Thread safe Lazy initialization

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

메소드 전체에 임계영역으로 설정하여 synchronized를 추가하는 것은 비교적 큰 성능저하가 발생하기 때문에 권장하는 방법은 아니라고 합니다.

2. Thread safe Lazy initialization + Double-checked locking

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

동기화 블럭 내부에 인스턴스 여부를 확인한 후 생성하게 되면 getInstance를 호출할 때마다 synchronzied를 사용하기 때문에 성능 저하는 불가피합니다. 먼저 인스턴스 여부를 확인하고 두 번째 인스턴스 여부 확인 전에 동기화를 하게 되면 thread-safe 하면서도 처음 생성 이후에는 synchronized 블럭을 거치지 않기 떄문에 성능 저하를 완화할 수 있습니다.

3. Initialization on demand holder idiom (holder에 의한 초기화)

public class Singleton{
    private static class Holder{
        public static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return Holder.instance;
    }
}

개발자가 직접 동기화 문제를 해결하기란 쉽지 않습니다. 이를 해결하기 위해서는 많은 예외처리와 구조 개선들로 인해 복잡해지고 비용이 커질 수 있습니다. 마지막 방법은 JVM의 클래스 초기화 과정에서 보장되는 원자적 특성을 이용하여 싱글턴의 초기화 문제를 JVM에게 책임을 넘길 수 있습니다.Holder 클래스 안에 선언된 인스턴스가 static이기 때문에 클래스 로딩시점에 한번 호출될 것이며 final을 사용하여 값을 변경하지 못하도록 하였습니다.

이 방법이 가장 많이 사용하고 일반적인 Singleton 클래스 방법이라고 합니다.