김영한 스프링 핵심 원리(기본편) - 웹 어플리케이션과 싱글톤

1. 웹 어플리케이션과 싱글톤

• 클라이언트 A,B,C가 memberService에 대해 요청을 한다면, DI컨테이너(AppConfig)는 A,B,C 에게 각각 memberService 객체를 반환해준다.

• SingletonTest 클래스

public class SingletonTest {

    @Test
    @DisplayName("스프링 없는 순수한 DI 컨테이너")
    void pureContainer(){
        AppConfig appConfig = new AppConfig();

        //1. 조회: 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService1 = appConfig.memberService();

        //2. 조회: 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService2 = appConfig.memberService();

        System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
        System.out.println("memberService2 = " + memberService2);

        Assertions.assertThat(memberService1).isNotSameAs(memberService2);

    }

• memberService를 요청 할 때마다 객체를 생성

📢 결론

• 스프링이 없는 순수한 DI 컨테이너인 AppConfig는 요청할 때 마다 객체를 새로 생성
• 만약 고객 트래픽이 초당 1000이 나온다는 가정에 초당 1000개의 객체가 생성 및 소멸
  -> 메모리 낭비 심함
• 싱글톤 패턴으로 해결 - 객체 하나만 생성 후 공유

2. 싱글톤 패턴

• 클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴

• 객체 인스턴스가 2개 이상 생성되지 못하도록 private 생성자를 사용해서 외부에서 임의로 new 키워드를 사용 못하게 막음

• SingletonService

public class SingletonService {

    //1. static 영약에 객체를 1개만 생성
    private static final SingletonService instance = new SingletonService();

    //2. public으로 열어서 객체 인스턴스가 필요하면 이 static메서드를 통해서만 조회하도록 허용
    public static SingletonService getInstance() {
        return instance;
    }

    //3. 생성자를 private 으로 선언해서 외부에서 new  키워드를 사용한 객체 생성이 못하도록 함.
    private SingletonService() {}

    public void logic(){
        System.out.println("싱글톤 객체 로직 호술");
    }

}

- static 영역에 객체 instance를 미리 한 개만 생성
- 이 객체 인스턴스가 필요하면 오직 getInstance() 메서드를 통해서만 조회
- 1개의 객체 인스턴스만 존재해야 하므로, 생성자를 private으로 막아 외부에서 new 키워드로 객체 인스턴스가 생성되는 것을 금지

• SingletonTest

public class SingletonTest {

    @Test
    @DisplayName("스프링 없는 순수한 DI 컨테이너")
    void pureContainer(){
        AppConfig appConfig = new AppConfig();

        //1. 조회: 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService1 = appConfig.memberService();

        //2. 조회: 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService2 = appConfig.memberService();

        System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
        System.out.println("memberService2 = " + memberService2);

        Assertions.assertThat(memberService1).isNotSameAs(memberService2);

    }

💣 싱글톤 패턴 문제점
1. 코드 복잡성 증가
2. 클라이언트가 구체 클래스에 의존, DIP 위반
3. OCP 위반 가능성 높음
4. 테스트하기 어려움
5. 내부 속성 변경이나 초기화 어려움
6. private 생성자로 자식 클래스 생성 어려움

결론적으로 유연성 떨어짐, 안티패턴으로 불림

3. 싱글톤 컨테이너

스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴의 문제점을 해결하면서, 객체 인스턴스를 싱글톤(1개만 생성)으로 관리

SingletonTest

@Test
    @DisplayName("스프링 컨테이너, 싱글톤")
    void springContainer(){
        AnnotationConfigApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
        MemberService memberService1 = ac.getBean("memberService",MemberService.class);
        MemberService memberService2 = ac.getBean("memberService",MemberService.class);

        // 참조값 확인
        System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
        System.out.println("memberService2 = " + memberService2);

        // 같은지 확인
        Assertions.assertThat(memberService1).isSameAs(memberService2);
    }

싱글톤 컨테이너 적용

• 이미 만들어진 객체를 공유해서 효욜적으로 재사용
• 스프링의 기본 빈등록 방식은 싱글톤 방식(싱글톤 방식만 지원하는거 아님)

4. 싱글톤 방식의 주의점

• 싱글톤 패턴, 스프링 같은 싱글톤 컨테이너 - 객체 인스턴스를 하나만 생성해서 공유하는 싱글톤 방식은 여러 클라이언트가 하나의 같은 객체 인스턴스를 공유 하기 때문에 싱글톤 객체의 상태를 유지하게 설계하면 안된다

• 무상태(stateless)로 설계

  • 특정 클라이언트가 의존적인 필드가 있으면 안된다
  • 특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드가 있으면 안된다.
  • 가급적 읽기만 가능
  • 필드 대신에 자바에서 공유되지 않는 지역변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용

• 스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정시 큰 장애 발생

🔍 stateful 코드 예시

• StatefulService

public class StatefulService {

    private int price; // 상태를 유지하는 필드

    public void order(String name, int price){
        System.out.println("name: " + name + " price: " + price);
        this.price = price; // 문제
    }

    public int getPrice(){
        return price;
    }
}

• StatefulServiceTest

public class StatefulServiceTest {

    @Test
    void statefulServiceSingleton(){
        ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(TestConfig.class);
        StatefulService statefulService1 = ac.getBean(StatefulService.class);
        StatefulService statefulService2 = ac.getBean(StatefulService.class);

        //ThreadA : A사용자가 10000원 주문
        statefulService1.order("userA", 10000);
        //ThreadB : B사용자가 20000원 주문
        statefulService2.order("userB", 20000);

        //ThreadA : A사용자가 주문 금액 조회
        int price = statefulService1.getPrice();

        System.out.println("price = " +price);

        assertThat(price).isEqualTo(20000);
    }

    static class TestConfig{

        @Bean
        public StatefulService statefulService(){ return  new StatefulService(); }
    }
}

🙏 ThreadA와 ThreadB가 각각 사용자A와 사용자B의 코드를 호출할 때, StatefulService의 price 필드가 공유됨. 특정 클라이언트가 값을 변경하면, 사용자A의 주문금액이 10000원이 아닌 20000원이 되는 문제 발생. 실무에서 이런 상황 자주 발생, 해결하기 어려운 큰 문제로 이어짐. 공유 필드는 조심해야 하며, 스프링 빈은 항상 무상태(stateless)로 설계해야 함.

5. @Configuration과 싱글톤

AppConfig 의문점

@Configuration
public class AppConfig {
    /*
    public MemberService memberService(){
        return new MemberServiceImpl(new MemoryMemberRepository());
    }

    public OrderService orderService(){
        return new OrderServiceImpl(new MemoryMemberRepository(), new FixDiscountPolicy());
    }*/


    @Bean
    public MemberService memberService() {
        System.out.println("Call memberService");
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());

    }
    @Bean
    public MemberRepository memberRepository(){
        System.out.println("Call memberRepository");
        return new MemoryMemberRepository();
    }
    @Bean
    public OrderService orderService() {
        System.out.println("Call orderService");
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }
    @Bean
    public DiscountPolicy discountPolicy() {
        //return new FixDiscountPolicy();
        return new RateDiscountPolicy();
    }
}

• memberService 빈 : memberRepository()를 호출

  • 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository()를 호출

• orderService 빈 : 동일하게 memberRepository()를 호출
  - 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository()를 호출

  --> 🤔 각각의 MemoryMemberRepository를 생성하면서 싱글톤이 깨지는건가?

☑️ 확인

• MemberServiceImpl, OrderServiceImpl에 아래 코드 추가
  • MemberRepository를 조회 가능한 테스트 메서드 추가

//테스트
    public MemberRepository getMemberRepository() {
        return memberRepository;
    }

• ConfigurationSingletonTest

public class ConfigurationSingletonTest {

    @Test
    void configurationTest(){
        AnnotationConfigApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
        MemberServiceImpl memberService = ac.getBean("memberService", MemberServiceImpl.class);
        OrderServiceImpl orderService = ac.getBean("orderService", OrderServiceImpl.class);
        MemberRepository memberRepository = ac.getBean("memberRepository", MemberRepository.class);

        MemberRepository memberRepository1 = memberService.getMemberRepository();
        MemberRepository memberRepository2 = memberService.getMemberRepository();

        System.out.println("memberService -> memberRepository1 " + memberRepository1);
        System.out.println("orderService -> memberRepository2 " + memberRepository2);
        System.out.println("memberRepository = " + memberRepository);

        Assertions.assertThat(memberService.getMemberRepository()).isSameAs(memberRepository);
        Assertions.assertThat(orderService.getMemberRepository()).isSameAs(memberRepository);
    }

- 실행결과 : memberRepository 같은 인스턴스 공유
- AppConfig에서 new MemoryMemberRepository 2번 생성 -> 다른 인스턴스 생성?

• AppConfig 출력 확인

@Bean
    public MemberService memberService() {
        System.out.println("Call memberService");
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());

    }
    @Bean
    public MemberRepository memberRepository(){
        System.out.println("Call memberRepository");
        return new MemoryMemberRepository();
    }
    @Bean
    public OrderService orderService() {
        System.out.println("Call orderService");
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }
    @Bean
    public DiscountPolicy discountPolicy() {
        //return new FixDiscountPolicy();
        return new RateDiscountPolicy();
    }

• 스프링 컨테이너가 각각 @Bean을 호출해서 스프링 빈을 생성한다.
  그러면 memberRepository() 는 3번 호출 되어야 한다?
• 실행 시 한번만 호출

6. @Configuration과 바이트코드 조작

1). 싱글톤 레지스트리: 스프링 컨테이너는 기본적으로 빈을 싱글톤으로 관리. 즉, 동일한 빈에 대한 요청이 있을 경우, 항상 같은 인스턴스를 반환

2). 바이트코드 조작: 스프링은 자바 코드의 실행 시점에 빈의 생명주기를 관리하기 위해 바이트코드 조작 라이브러리를 사용이를 통해 스프링은 빈의 생성 및 초기화 과정을 제 .

3). @Configuration: 이 애너테이션이 적용된 클래스는 스프링이 관리하는 빈을 정의하는 데 사용. 스프링은 이 클래스의 메서드에서 반환된 객체를 빈으로 등록하며, 이 빈들은 싱글톤으로 보장

4). 빈 생성 호출: @Configuration 클래스 내의 메서드는 스프링 컨테이너에 의해 호출되며, 이 메서드가 반환하는 객체는 스프링이 관리하는 빈으로 등록. 따라서, 같은 빈을 여러 번 요청하더라도 동일한 인스턴스 반환

• ConfigurationSingletonTest
  AppConfig 스프링 빈 조회

 @Test
    void configurationDeep(){
        AnnotationConfigApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
        AppConfig bean = ac.getBean(AppConfig.class);

        System.out.println("bean = " +bean.getClass());
    }

• AnnotationConfigApplicationContext에 파라미터로 넘긴 AppConfig도 스프링 빈으로 등록
• 스프링이 CGLIB라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용해서 AppConfig 클래스를 상속받은 임의의 다른 클래스를 만들고, 그 다른 클래스를 스프링 빈으로 등록한 것

📌 참고

• @Bean이 붙은 메서드마다 이미 스프링 빈이 존재하면 해당 빈을 반환, 스프링 빈이 없으면, 생성하ㅐ서 스프링 빈으로 등록하고 반환하는 코드가 동적으로 생성
• 싱글톤 보장
• AppConfig@CGLIB는 AppConfig의 자식 타입이므로, AppConfig 타입으로 조회