싱글톤(Singleton) 컨테이너

웹 애플리케이션과 싱글톤의 관계

• 스프링은 기업용 온라인 서비스 기술을 지원하기 위해 탄생했고, 대부분 웹 애플리케이션이다.
• 웹 애플리케이션은 보통 여러 고객이 동시에 요청을 하는데 이때마다 새로운 객체를 생성한 후 소멸된다.
• 앞서 만들었던 스프링없는 순수한 DI 컨테이너인 (@Configuration을 통해 구현한)AppConfig는 요청할 때마다 객체를 새로 생성한다.
• 만약 고객 트래픽이 초당 100개면 100개의 객체가 생성되고 소멸되어 메모리 낭비가 심하다.
• 해결방안은 해당 객체가 1개만 생성되고, 나머진 공유하도록 설계하면 된다. 이 정의가 싱글톤 패턴이다.

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싱글톤 패턴(Singleton Pattern)

• 클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴이다.
• 객체 인스턴스를 2개 이상 생성하지 못하도록 막아야 한다.
  • private 생성자를 사용해서 외부에서 임의로 new 키워드를 사용하지 못하도록 막아야 한다

• singleton 예제
  

• singleton을 가지고, Junit 테스트

//1. 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
SingletonService singletonService1 = SingletonService.getInstance();

//2. 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
SingletonService singletonService2 = SingletonService.getInstance();

// singletonService1 == singletonService2
// 참조값이 같은 것을 확인할 수 있다.
assertThat(singletonService1).isSameAs(singletonService2)

• 싱글톤 패턴을 적용하면 고객의 요청이 올 때 마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 사용할 수 있다. 하지만 싱글톤 패턴은 다음과 같은 수 많은 문제점들을 가지고 있다

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싱글톤 패턴 문제점

• 싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어간다.
• 의존관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존한다. DIP를 위반한다.
• 클라이언트가 구체 클래스에 의존해서 OCP 원칙을 위반할 가능성이 높다.
• 테스트하기 어렵다.
• 내부 속성을 변경하거나 초기화 하기 어렵다.
• private 생성자로 자식 클래스를 만들기 어렵다.
• 결론적으로 유연성이 떨어진다.
• 안티패턴으로 불리기도 한다

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싱글톤 컨테이너

• 스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴의 문제점을 모두 해결하면서, 객체 인스턴스를 싱글톤(1개만 생성)으로 관리한다.
• 지금까지 우리가 학습한 스프링 빈이 바로 싱글톤으로 관리되는 빈이다.

• 싱글톤 컨테이너의 장점

  • 스프링 컨테이너는 싱글턴 패턴을 적용하지 않아도, 객체 인스턴스를 싱글톤으로 관리한다.
  • 스프링 컨테이너는 싱글톤 컨테이너 역할을 한다. 이렇게 싱글톤 객체를 생성하고 관리하는 기능을 싱글톤 레지스트리라 한다.
  • 스프링 컨테이너의 이런 기능 덕분에 싱글턴 패턴의 모든 단점을 해결하면서 객체를 싱글톤으로 유지할 수 있다.
  • 싱글톤 패턴을 위한 지저분한 코드가 들어가지 않아도 된다.
  • DIP, OCP, 테스트, private 생성자로 부터 자유롭게 싱글톤을 사용할 수 있다

• Spring 컨테이너에서 Junit 테스트할 때는,

  ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
  
  //1. 조회: 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
  MemberService memberService1 = ac.getBean("memberService",
  MemberService.class);
  
  //2. 조회: 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
  MemberService memberService2 = ac.getBean("memberService",
  MemberService.class)
  
  //참조값이 같은 것을 확인
  //memberService1 == memberService2
  assertThat(memberService1).isSameAs(memberService2)

• 그래서 스프링 컨테이너 덕분에 고객의 요청이 올 때 마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 재사용할 수 있다.

• 참고: 스프링의 기본 빈 등록 방식은 99%이상 싱글톤이지만, 싱글톤 방식만 지원하는 것은 아니다. 스코프와 같이 특별한 기능을 요청할 때 마다 다른 방식으로 새로운 객체를 생성해서 반환하는 기능도 제공한다.

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싱글톤(Singleton) 방식의 주의점

• 싱글톤 패턴이든, 스프링 같은 싱글톤 컨테이너를 사용하든, 객체 인스턴스를 하나만 생성해서 공유하는 싱글톤 방식은 여러 클라이언트가 하나의 같은 객체 인스턴스를 공유하기 때문에 싱글톤 객체는 상태를 유지(stateful)하게 설계하면 안된다.
  
  
• 무상태(stateless)로 설계해야 한다!
  • 특정 클라이언트에 의존적인 필드가 있으면 안된다
  • 특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드가 있으면 안된다!
  • 가급적 읽기만 가능해야 한다.(가급적 수정 X)
  • 필드 대신에 자바에서 공유되지 않는, 지역변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용해야 한다.
• 스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 정말 큰 장애가 발생할 수 있다!!!

• 문제점 예시 (상태 유지할 경우를 단편적으로 표현)

• 이렇게 만들어 놓은 싱글톤이 있으면 .getPrice()를 할 경우, price로 값을 여러개 넣으면 마지막에 넣은 값만 return되기 때문에 실제 서버와 같은 경우에는 정말 큰일 난다. 구체적으로 예를 들어,
  
  //ThreadA: A사용자 10000원 주문
  statefulService1.order("userA", 10000);
  
  //ThreadB: B사용자 20000원 주문
  statefulService2.order("userB", 20000);
  
  //ThreadA: 사용자A 주문 금액 조회
  int price = statefulService1.getPrice()
  
  이 있다고 가정하면,

• ThreadA가 사용자A 코드를 호출하고 ThreadB가 사용자B 코드를 호출한다 가정하자.
• StatefulService 의 price 필드는 공유되는 필드인데, 특정 클라이언트가 값을 변경한다.
• 사용자A의 주문금액은 10000원이 되어야 하는데, 20000원이라는 결과가 나왔다.
• 실무에서 이런 경우를 종종 보는데, 이로인해 정말 해결하기 어려운 큰 문제들이 터진다.(몇년에 한번씩 꼭 만난다.)
  진짜 공유필드는 조심해야 한다! 스프링 빈은 항상 무상태(stateless)로 설계하자.

  • 그럼 이 상태에서 해결할 방법은

• 이렇게 공유되는 price 객체와 getPrice() 메소드를 지우고, order 메소드에서 price를 바로 반환하게 만드는 것과 같이 공유되는 부분을 지운다.
• 그럼 사용할 때 반환받은 값을 int xxx 처럼 지역변수로 받아 사용하면 중복이나 겹치는 현상없이 사용할 수 있다.

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@Configuration과 싱글톤

• 순수한 자바 코드만 생각하면 이렇게 작성을 하고 AppConfig 클래스를 사용하면 @Bean에 등록된 객체가 호출될 때마다 생성될것 같은데 아니다. 이건 @Configuration 덕분에 싱글톤을 유지할 수 있는 것이다.
  
  
• 그래서 스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리다는 것이 @Configuration을 통해 스프링 빈이 싱글톤이 되도록 보장해주는 것이다.
  
  
• 만약 @Configuration를 붙이지 않고 @Bean만을 사용하면 스프링 컨테이너에 등록돼 사용은 가능하지만 싱글톤을 보장하진 못하기 때문에 호출될 때마다 새롭게 객체가 생성, 반환된다.

• @Configuration과 바이트코드 조작의 마법

  • ApplicationContext ac = new
    AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class); 여기서 파리미터로 넘긴 값은 스프링 빈에 등록되기 때문에 AppConfig도 스프링 빈이 된다.

• 이때 AppConfig는 바이트 코드를 조작해서 임의의 다른 클래스로 만들어서 싱글톤이 보장되게 만들어준다.((실제로는 CGLIB의 내부 기술을 사용하는데 매우 복잡하다.)

• AppConfig@CGLIB 예상 코드

• @Bean이 붙은 메서드마다 이미 스프링 빈이 존재하면 존재하는 빈을 반환하고, 스프링 빈이 없으면생성해서 스프링 빈으로 등록하고 반환하는 코드가 동적으로 만들어진다.
  
  
• 덕분에 싱글톤이 보장되는 것이다

※ AppConfig@CGLIB는 AppConfig의 자식 타입이므로, AppConfig 타입으로 조회 할 수 있다.

• 결론
  • @Configuration 을 붙이면 바이트코드를 조작하는 CGLIB 기술을 사용해서 싱글톤을 보장하지만,
    @Bean만 사용해도 스프링 빈으로 등록되지만, 싱글톤을 보장하지 않는다.
  • 크게 고민할 것이 없다. 스프링 설정 정보는 항상 @Configuration 을 사용하자