📚[Design Pattern] 싱글톤패턴

싱글톤 패턴

클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴이다.
객체를 new 키워드를 통해 직접 생성하지 않고 getInstance() 메서드와 같이 정의된 방식으로만 가져온다.
싱글톤 패턴은 하나의 인스턴스를 공유하기 때문에 불필요한 메모리 낭비를 줄일 수 있고 반복적인 객체 생성을 피할 수 있어 성능면에서도 이점을 가질 수 있다.

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싱글톤 패턴의 구현

public class Singleton {
    //정적 참조변수
    private static Singleton singleton;

    //new 키워드를 막기위해 생성자에 private 접근제어자를 지정
    private Singleton(){

    }

    //getInstance() 메서드 첫 호출시 객체 생성, 이후 호출시 생성된 객체를 불러옴
    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

싱글톤 패턴을 적용할 시 두 개 이상의 객체는 존재할 수 없다.
이를 구현하기 위해 객체 생성을 위한 생성자에 제약을 걸고 단일 객체를
반환할 수 있도록 메서드를 활용해야 한다.

• new 키워드의 사용을 막기위해 생성자에 private 접근 제어자를 지정한다.
• 유일한 단일 객체를 반환할 수 있는 정적 메서드가 필요하다.
• 유일한 단일 객체를 참조할 정적 참조 변수가 필요하다.

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싱글톤 패턴의 사용

public class SingletonExam {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        Singleton s3 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(s1); //singleton.Singleton@3b07d329
        System.out.println(s2); //singleton.Singleton@3b07d329
        System.out.println(s3); //singleton.Singleton@3b07d329

        System.out.println(s1 == s2); //true
        System.out.println(s2 == s3); //true

    }
}

getInstance() 메서드를 통해 호출된 s1, s2, s3 참조변수가 모두 같은 참조값을 가지고있다.
이는 new 키워드를 통한 객체 생성이 아닌 이미 존재하는 유일한 단일 객체를 리턴받고 있기 때문이다.

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싱글톤 패턴의 문제점

1. 의존성이 높아진다.

   싱글톤 패턴은 미리 생성한 객체를 정적 메서드를 통해 사용하기에 클래스 간 의존성이 높아진다.
   싱글톤 인스턴스의 변경 시 해당 인스턴스를 참조하는 모든 클래스를 수정해야 하는 문제가 발생한다.

2. 상속이 어렵다.

   싱글톤 패턴은 기본적으로 private 생성자를 사용하여 객체의 중복 생성을 방지한다.
   이로 인해 상속을 통한 자식클래스를 만들수 없게 되며 객체지향의 장점 중 하나인 다형성을 활용하기 어렵다.

3. 테스트가 어려워진다.

   싱글톤 객체는 전역적으로 하나만 존재하기 때문에 독립적인 테스트 환경을 만들기 어렵다.
   단위 테스트에서 싱글톤 인스턴스를 모킹하거나 교체하기가 어려워 테스트의 유연성이 떨어지고 정상적으로 수행되지 않을 가능성이 있다.

   모킹(Mocking): 단위 테스트에서 특정 객체나 클래스를 실제 구현이 아닌 가짜 객체(Mock 객체) 로 대체하여 테스트하는 기법

이러한 문제점들 때문에 싱글톤패턴은 안티패턴이라 불리기도 한다.

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동시성 문제?

여러 스레드가 동시에 접근하는 경우 발생하는 문제

public class SingletonThread{
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            Singleton singleton = Singleton.getInstance();
            System.out.println(singleton);
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            Singleton singleton = Singleton.getInstance();
            System.out.println(singleton);
        });

        Thread t3 = new Thread(()->{
            Singleton singleton = Singleton.getInstance();
            System.out.println(singleton);
        });

        t1.start(); //singleton.Singleton@530def55
        t2.start(); //singleton.Singleton@7ddc7898
        t3.start(); //singleton.Singleton@7ddc7898
    }
}

여러 쓰레드가 동시에 실행되며 instance == null 조건을 만족하고 새로운 객체를 생성하려고 시도한다.
이로인해 다른 객체가 생성되어 t1, t2 쓰레드가 다른 참조값을 가지게 되며 싱글톤 패턴이 깨지고 말았다.
동시성 문제가 발생하며 Thread-safe 하지 못한 상황이 일어났다.

Thread-safe:
멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 접근해도 프로그램이 정상적으로 동작하는 특성

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동시성 문제의 해결방법

1. 동기화(syncronuized)
   해당 키워드를 사용하면 여러 스레드가 동시에 접근할 수 없게 만든다.

//getInstance() 메서드에 syncronized 키워드 추가
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

• 간단한 키워드 추가를 통해 동시 접근을 막을 수 있으나 해당 블록 실행 중 다른 스레드는 대기하게 되므로 성능 저하의 주요 원인이 된다.

2. 이른 초기화(Eager Initialization)
   클래스 로딩 시 객체가 미리 생성되며 생성된 객체는 final 키워드를 통해 불변 객체로 만들어진다.
   멀티 스레드 환경에서도 미리 생성된 객체만을 참조하기에 동시성 문제를 해소할 수 있다.

public class Singleton {
    //변수 선언과 동시에 초기화
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    //new 키워드를 막기위해 생성자에 private 접근제어자를 지정
    private Singleton(){

    }

    //getInstance() 메서드
    public static Singleton getInstance(){
        return singleton;
    }
}

• 객체를 사용하기 전에 미리 메모리에 생성해두기 때문에 실제로 객체를 사용하지 않으면 불필요한 메모리 차지가 될 수 있다.

3. 더블 체크 기법(Double-Checked Locking)
   첫 번째 체크를 통해 객체가 있을 경우 빠르게 반환하여 성능도 유지하면서
   객체 생성이 필요한 경우 두 번째 체크를 통해 동기화 블록을 거쳐 안전한 생성이 가능하다.

public class Singleton {
    //volatile 키워드 사용
    private static volatile Singleton singleton ;

    private Singleton(){

    }

    //getInstance() 메서드
    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton == null) {              //1차검사
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {     //2차검사
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

• volatile 키워드를 통해 명령어 재배치를 막아야 한다.

  싱글톤 객체의 생성과정

  1. 메모리 공간확보
  2. 생성자 호출
  3. 인스턴스 변수에 메모리 주소 할당

  위처럼 3단계를 거치지만 명령어 실행순서가 꼬일시 문제가 생길수 있다. 재배치가 발생하면 객체 생성이 끝나기 전에 참조값이 먼저 반환될 수 있으며 해당 상황 발생시 다른 스레드가 완성되지 않은 객체를 사용할 위험이 생긴다.

명령어 재배치: 프로그램의 빠른 실행을 위해 순서를 컴파일러나 CPU가 임의로 변경하는 것

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References

• https://ittrue.tistory.com/563
• https://velog.io/@jhbae0420/%EC%8B%B1%EA%B8%80%ED%86%A4-%ED%8C%A8%ED%84%B4%EC%9D%98-%EC%82%AC%EC%9A%A9-%EC%9D%B4%EC%9C%A0%EC%99%80-%EB%AC%B8%EC%A0%9C%EC%A0%90