1. 단순한 메서드 호출
싱글톤 패턴 생성 여부를 확인하고 싱글톤이 없으면 사로 만들고 있다면 만들어진 인스턴스를 반환함
그러나 이 코드는 메서드의 원자성이 결여되어 있어 멀티스레드 환경에서는 싱글톤 인스턴스를 2개 이상 만들 수 있음
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
private 키워드를 사용하는 이유는?
-
인스턴스 변수의 은닉 :
private static Singleton instance는 Singleton 클래스의 인스턴스를 저장하는 변수instance가 클래스 외부에서 직접 접근되지 않도록 함. 이는 인스턴스가 오직getInstance()메서드를 통해서만 접근될 수 있도록 보장하여,인스턴스의 생성과 관리를 클래스 내부에서만 제어할 수 있게 함 -
생성자의 은닉 :
private Singleton(){}Singleton 클래스의 생성자를 private로 선언하여, 클래스 외부에서new키워드를 이용한 객체 생성을 방지함. 이는 모든 객체 생성 요청이getInstance()메서드를 통해 이루어지도록 강제하여, 이 메서드에서 인스턴스 생성의 유일성을 보장함
멀티 스레드에서 원자성이 결여된다는 의미는 무엇인가?
public class YunhaSync {
private static String yunha = "오르트구름";
public static void main(String[] args) {
YunhaSync a = new YunhaSync();
new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 10; i++) {
a.say("사건의 지평선");
}
}).start();
new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 10; i++) {
a.say("오르트구름");
}
}).start();
}
public void say(String song) {
yunha = song;
try {
long sleep = (long)(Math.random() * 100);
Thread.sleep(sleep);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if(!yunha.equals(song)) {
System.out.println(song + " | " + yunha);
}
}
}
원자성은 연산이 전부 아니면 전혀 수행되지 않는 것을 의미하는데, 위 로직에서는
yunha라는 공유 자원을 두 개의 스레드가 동시에 접근하고 수정하고 있음
say메서드 내에서yunha의 값을 설정하고 나서, 스레드가 잠시 일시 중지(Thread.sleep됨. 이 일시 중지 동안 다른 스레드가 실행되어yunha변수의 값을 변경할 수 있음. 첫 번째 스레드가 일시 중지에서 깨어나yunha의 값을 확인할 때, 다른 스레드에 의해 변경된 값이 있을 수 있으므로, 첫 번째 스레드가 예상했던 값과 실제 값이 일치하지 않는 경우가 발생할 수 있음
어떻게 결여된 원자성을 회복할 수 있나?
package programmers;
public class YunhaSync {
private static String yunha = "오르트구름";
public static void main(String[] args) {
YunhaSync a = new YunhaSync();
new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 10; i++) {
a.say("사건의 지평선");
}
}).start();
new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 10; i++) {
a.say("오르트구름");
}
}).start();
}
public synchronized void say(String song) {
yunha = song;
try {
long sleep = (long)(Math.random() * 100);
Thread.sleep(sleep);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if(!yunha.equals(song)) {
System.out.println(song + " | " + yunha);
}
}
}
2. synchronized
synchronized키워드는 멀티 스레드 프로그래밍 시 동기화를 달성하기 위해 사용함.
synchronized키워드가 적용된 메서드나 블록에 대해서는 한 시점에 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 보장함. 이는 공유 자원에 대한 동시 접근을 막고, 스레드 간의 안전한 상호작용을 가능하게 하여 데이터 무결성을 유지함
synchronized 키워드 사용
- 메서드 동기화 : 메서드 전체를 동기화하려면 메서드 선언에
synchronized키워드를 추가함. 이렇게 하면 해당 메서드가 포함된 객체의 lock을 획득한 스레드만 그 메서드를 실행할 수 있음
public synchronized void synchronizedMethod(){
//
}- 블록 동기화 : 특정 코드 블록만 동기화하려면 해당 블록을
synchronized블록으로 만듬. 이 떄, 동기화할 객체의 lock을 명시해야 함
public void method(){
synchronized(this){
// 동기화 코드
}
}synchronized와 싱글톤
싱글톤 패턴의
getInstance()메서드에synchronized를 사용하는 경우
1. 인스턴스 생성 전 동기화 : 인스턴스가 아직 생성되지 않았을 때,syncronized키워드는 첫 번째로getInstance()를 호출하는 스레드가 싱글톤 인스턴스를 안전하게 생성할 수 있도록 보장함
package programmers;
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {
}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
- 성능 고려 : 한번 인스턴스가 생성된 후에도
synchronized메서드를 계속 사용하면, 모든getInstance()호출이 동기화되므로 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있음. 이 문제를 완화하기 위해double-checked locking패턴을 사용함(6번에서 자세히 설명)
3. 정적 멤버
클래스 로딩 시점에 싱글톤 인스턴스를 생성함으로써, 멀티스레딩 환경에서도 안전하게 인스턴스를 관리할 수 있도록함
정적 멤버를 이용한 싱글톤 구현
초기화 시점의 명확성: 정적 멤버를 이용한 싱글톤 패턴에서는, 클래스가 JVM에 로드되는 시점에 싱글톤 인스턴스가 생성됨. 이는 클래스 로딩이 일어나는 순간 단 한번만 수행되기 때문에, 초기화 시점이 명확하고, 추가적인 동기화가 필요하지 않음
스레드 안전성: 클래스 로더에 의해 클래스가 초기화될 때, 정적 멤버가 한 번만 생성되므로, 이 방법은 스레드 안전성을 자연스럽게 보장함. 여러 스레드가 동시에 접근하더라도 인스턴스는 단 한번만 생성되기 때문에, 동기화 문제가 발생하지 않음
지연로딩(Lazy Loading) 미지원: 정적 초기화 블록을 사용하는 싱글톤 패턴은 지연 로딩을 지원하지 않음. 즉, 클래스가 로드되는 시점에 인스턴스가 바로 생성되므로, 실제로 인스턴스가 필요하지 않더라도 메모리를 차지하게 됨. 이는 불필요한 리소스 사용을 초래할 수 있음
구현 예
public class Singleton {
// 클래스 로딩 시점에 싱글톤 인스턴스 생성
private static final Singleton instance = new Singleton();
// private 생성자로 외부에서의 인스턴스 생성 방지
private Singleton() {}
// 외부에서 싱글톤 인스턴스에 접근할 수 있는 메서드
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
4. 정적 블록
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
static {
instance = new Singleton();
}
private Singleton() { }
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}5. 정적 멤버와 Lazy Holder(중첩 클래스)
singleInstanceHolder라는 내부 클래스를 하나 더 만듦으로써 Singleton 클래스가 최초에 로딩되더라도 함께 초기화가 되지 않고 getInstance()가 호출될 때 singleInstanceHolder 클래스가 로딩되어 인스턴스를 생성하게 됨
package programmers;
public class Singleton {
private static class singleInstanceHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return singleInstanceHolder.INSTANCE;
}
}
6. 이중 확인 잠금(DCL)
- 이중 확인 잠금(DCL, Double Checked Locking)은 인스턴스 생성 여부를 싱글톤 패턴 잠금 전에 한번, 객체를 생성하기 전에 한 번 총 2번 체크하여 인스턴스가 존재하지 않을 때만 잠금을 걸 수 있기 때문에 앞서 생겼던 문제점을 해결할 수 있음
double-checked locking 적용 로직
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
instance 클래스 변수 앞에 붙은 volatile은 무엇인가?
- java에서는 Thread 2개가 열리면 변수를 메인 메모리(RAM)으로부터 가져오는 것이 아니라 캐시 메모리에서 각각의 캐시 메모리 기반으로 가져오게 됨
public class Test {
boolean flag = true;
public void test() {
new Thread(()-> {
int cnt = 0;
while(flag) {
cnt++;
}
System.out.println("Thread1 finished\n");
}
).start();
new Thread(() ->{
try {
Thread.sleep(100);
}catch (InterruptedException ignored) {
}
System.out.println("flag to false");
flag = false;
}
).start();
}
public static void main(String[] args) {
new Test().test();
}
}무한 루프 발생
위 로직이 무한 루프를 도는 이유는 , 첫 번째 스레드가
flag변수의 값을 갱신하는 것을 두 번째 스레드가 볼 수 없기 때문이다. 이는 첫 번째 스레드가 자신의 로컬 캐시에flag값을 가지고 있으며, 두 번째 스레드가flag값을false로 변경해도 첫 번째 스레드의 로컬 캐시에 반영되지 않기 때문에 발생한다.
boolean flag 앞에 volatile static 선언하기
public class Test {
volatile static boolean flag = true;
public void test() {
new Thread(()-> {
int cnt = 0;
while(flag) {
cnt++;
}
System.out.println("Thread1 finished\n");
}
).start();
new Thread(() ->{
try {
Thread.sleep(100);
}catch (InterruptedException ignored) {
}
System.out.println("flag to false");
flag = false;
}
).start();
}
public static void main(String[] args) {
new Test().test();
}
}
volatile 키워드는 자바의 변수를 다룰 때 사용되며, 주요한 세 가지 특성이 있음
1. 가시성 보장 :volatile로 선언된 변수는 값이 변경될 때 다른 스레드에 즉시 반영되어, 모든 스레드가 항상 최신 값을 볼 수 있음
2. 동기화 비용 절감 :syncronized에 비해 가볍지만, 변수의 읽기와 쓰기를 메인 메모리에서 직접 수행함으로써 동기화의 오버헤드를 줄임
3. 명령어 순서화 :메모리 배리어(Memory Barrier)기능을 통해volatile변수의 읽기과 쓰기 명령이 순서대로 실행되도록 하여, 명령어 재배치에 의한 부작용을 방지함
volatile static boolean flag와 volatile boolean flag의 차이는?
| 키워드 | 설명 | 공유 수준 |
|---|---|---|
volatile static boolean flag | flag는 클래스 변수로, 클래스의 모든 인스턴스 간에 공유되며 프로그램 전체에서 하나만 존재한다. volatile은 모든 스레드에 변경사항이 즉시 보이도록 보장한다. 이는 프로그램 전역 상태를 관리할 때 사용된다. | 클래스 수준(전역) |
volatile boolean flag | flag는 인스턴스 변수로, Test 클래스의 각 인스턴스마다 별도의 flag를 가진다. volatile은 해당 인스턴스를 사용하는 스레드에 변경사항이 즉시 보이도록 보장한다. 이는 각 객체 인스턴스의 상태를 스레드에 가시적으로 유지할 때 사용된다. | 인스턴스 수준 |
7. enum
- enum의 인스턴스는 기본적으로 스레드세이프(thread safe)한 점이 보장되기 때문에 이를 통해 생성할 수 있음
package programmers;
public class Singleton {
public enum SingletonEnum {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("Doing something...");
}
}
public static void main(String[] args) {
SingletonEnum.INSTANCE.doSomething();
}
}
