[ 김영한 스프링 핵심 원리 - 기본편 #5 ] 싱글톤 컨테이너

김수호·2023년 8월 11일

이번에 섹션에서는 싱글톤 컨테이너에 대해 알아보자.

목차는 다음과 같다.

1) 웹 애플리케이션과 싱글톤
2) 싱글톤 패턴
3) 싱글톤 컨테이너
4) 싱글톤 방식의 주의점
5) @Configuration과 싱글톤
6) @Configuration과 바이트코드 조작의 마법

먼저 웹 어플리케이션에서 왜 싱글톤이 많이 사용되는지와 그 이유에 대해 알아보고, 싱글톤 패턴에 대해 알아보자. 그리고 싱글톤 컨테이너, 싱글톤 방식의 주의점에 대해 알아보고, 스프링이 제공하는 @Configuration의 비밀에 대해서도 파헤쳐보자.

1) 웹 어플리케이션과 싱글톤

먼저, 웹 애플리케이션과 싱글톤에 대해 알아보자.

스프링은 태생이 기업용 온라인 서비스 기술을 지원하기 위해 탄생했다.

대부분의 스프링 애플리케이션은 웹 애플리케이션이다. 물론 웹이 아닌 애플리케이션 개발도 얼마든지 개발할 수 있다. (ex. 배치 애플리케이션, 데몬 애플리케이션 등)

웹 애플리케이션은 보통 여러 고객이 동시에 요청을 한다.

아래 그림을 보자.
- (이전에 우리가 만들었던 AppConfig를 보면) 만약 클라이언트 A,B,C가 memberService에 대해 요청을 한다면, DI 컨테이너(AppConfig)는 A,B,C에게 각각 memberService 객체를 반환해준다. -> 요청이 올때마다 객체를 만들고 있다.
코드로 확인해보자.
- test > java > hello > core > singleton 패키지를 생성하고, SingletonTest 클래스를 생성하자.
  - memberService를 요청할 때 마다 객체를 생성하고 있음을 확인할 수 있다.

✔️ 정리

우리가 만들었던 스프링 없는 순수한 DI 컨테이너인 AppConfig는 요청을 할 때 마다 객체를 새로 생성한다.
고객 트래픽이 초당 100이 나오면 초당 100개 객체가 생성되고 소멸된다! -> 메모리 낭비가 심하다.
해결방안은 해당 객체가 딱 1개만 생성되고, 공유하도록 설계하면 된다. -> 싱글톤 패턴

2) 싱글톤 패턴

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

👉 코드로 적용해보자.

test > java > hello > core > singleton 아래 SingletonService 클래스를 생성하자.
- 1. static 영역에 객체 instance를 미리 하나 생성해서 올려둔다.
- 1. 이 객체 인스턴스가 필요하면 오직 getInstance() 메서드를 통해서만 조회할 수 있다. 이 메서드를 호출하면 항상 같은 인스턴스를 반환한다.
- 1. 딱 1개의 객체 인스턴스만 존재해야 하므로, 생성자를 private으로 막아서 혹시라도 외부에서 new 키워드로 객체 인스턴스가 생성되는 것을 막는다.

👉 테스트를 진행해보자.

test > java > hello > core > singleton 패키지 아래 SingletonTest 클래스에 아래 테스트를 추가하자.
- 정상적으로 실행되어, 호출할 때 마다 같은 객체 인스턴스를 반환하는 것을 확인할 수 있다.

✔️ 참고

싱글톤 패턴을 구현하는 방법은 여러가지가 있다. 여기서는 객체를 미리 생성해두는 가장 단순하고 안전한 방법을 선택했다.

⚠️ 싱글톤 패턴 문제점
: 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.

싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어간다.
의존관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존한다. (ex. 구체클래스.getInstance()) -> 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.

3) 싱글톤 컨테이너

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

✔️ 싱글톤 컨테이너

스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴을 적용하지 않아도, 객체 인스턴스를 싱글톤으로 관리한다.

이전에 설명한 컨테이너 생성 과정을 자세히 보자. 컨테이너는 객체를 하나만 생성해서 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 생성자로부터 자유롭게 싱글톤을 사용할 수 있다.

👉 테스트를 통해 확인해보자.

test > java > hello > core > singleton 패키지 아래 기존에 만들었던 SingletonTest에 만들어보자.
- 정상적으로 실행되었고, 호출할 때 마다 같은 객체를 반환하는 것을 볼 수 있다.

👉 싱글톤 컨테이너 적용 후

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 싱글톤이지만, 싱글톤 방식만 지원하는 것은 아니다. 요청할 때 마다 새로운 객체를 생성해서 반환하는 기능도 제공한다. 자세한 내용은 뒤에 빈 스코프에서 설명하겠다.

4) 싱글톤 방식의 주의점

이번 강의에서는 싱글톤 방식의 주의점에 대해 알아보자.

✔️ 싱글톤 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 값을 수정하면 안된다.)

필드 대신에 자바에서 공유되지 않는, 지역변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용해야 한다.

스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 정말 큰 장애가 발생할 수 있다.

👉 상태를 유지할 경우 발생하는 문제점을 예시를 통해 알아보자.

test > java > hello > core > singleton 패키지 아래 StatefulService 클래스를 해보자.

test > java > hello > core > singleton 패키지 아래 StatefulServiceTest 클래스를 생성하자.
- (참고) 최대한 단순히 설명하기 위해, 실제 쓰레드는 사용하지 않았다.
- 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, 이로 인해 정말 해결하기 어려운 큰 문제들이 터진다. (몇년에 한번씩 꼭 만난다.)
- 진짜 공유 필드는 조심해야 한다! 스프링 빈은 항상 무상태(stateless)로 설계하자.

5) @Configuration과 싱글톤

이번에는 @Configuration의 비밀에 대해 파헤쳐보자.

❓ 이전에 만들었던 AppConfig를 보면, 의문점이 한가지 있다.

AppConfig.java
- memberService 빈을 만드는 코드를 보면 memberRepository() 를 호출한다.
  - 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository() 를 호출한다.
- orderService 빈을 만드는 코드도 동일하게 memberRepository() 를 호출한다.
  - 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository() 를 호출한다.

🤔 결과적으로 각각 다른 2개의 MemoryMemberRepository 가 생성되면서 싱글톤이 깨지는 것 처럼 보인다. (분명 스프링 컨테이너는 싱글톤을 보장해준다고 했는데..) 스프링 컨테이너는 이 문제를 어떻게 해결할까?

👉 직접 확인해보자.

검증 용도로 MemberServiceImpl과 OrderServiceImpl에 코드를 추가해보자.
- 테스트를 위해 MemberRepository를 조회할 수 있는 기능을 추가한다. 기능 검증을 위해 잠깐 사용하는 것이니 인터페이스에 조회기능까지 추가하지는 말자.

test > java > hello > core > singleton 패키지 아래 ConfigurationSingletonTest 클래스를 생성하자.
- 실행된 것을 확인해보면, memberRepository 인스턴스는 모두 같은 인스턴스가 공유되어 사용된다.
- AppConfig의 자바 코드를 보면 분명히 각각 2번 new MemoryMemberRepository 호출해서 다른 인스턴스가 생성되어야 하는데?
- 어떻게 된 일일까? 혹시 두 번 호출이 안되는 것일까? 실험을 통해 알아보자.

AppConfig에 각각 출력을 남긴 후 실행해보자.
- 스프링 컨테이너가 각각 @Bean을 호출해서 스프링 빈을 생성한다. 그래서 memberRepository() 는 다음과 같이 총 3번이 호출되어야 하는 것 아닐까?
  - 1. 스프링 컨테이너가 스프링 빈에 등록하기 위해 @Bean이 붙어있는 memberRepository() 호출
  - 1. memberService() 로직에서 memberRepository() 호출
  - 1. orderService() 로직에서 memberRepository() 호출
- 그런데 실행해보면(위에서 만든 ConfigurationSingletonTest 실행) 아래와 같이 1번만 호출된다.

❓어떻게 위와 같은 결과가 나온것일까 🤔

6) @Configuration과 바이트코드 조작의 마법

스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리다. 따라서 스프링 빈이 싱글톤이 되도록 보장해주어야 한다. 그런데 스프링이 자바 코드까지 어떻게 하기는 어렵다. 위 자바 코드를 보면 분명 3번 호출되어야 하는 것이 맞다.
그래서 스프링은 클래스의 바이트코드를 조작하는 라이브러리를 사용한다.
모든 비밀은 @Configuration을 적용한 AppConfig에 있다.

👉 다음 코드를 보자.

test > java > hello > core > singleton 패키지 내부 ConfigurationSingletonTest 클래스에 아래 코드를 추가 후 실행해보자. (AppConfig 스프링 빈을 조회해서 클래스 정보를 출력해보자.)
- (참고) AnnotationConfigApplicationContext 에 파라미터로 넘긴 구성 정보도 스프링 빈으로 등록된다. 그래서 AppConfig 도 스프링 빈이 된다.
- 그런데 순수한 클래스라면 class hello.core.AppConfig 와 같이 출력되어야 하지만, 뒤에 뭔가 붙어있다. ($$EnhancerBySpringCGLIB$$68989ba6)

👉 예상과는 다르게 클래스 명에 xxxCGLIB가 붙으면서 상당히 복잡해진 것을 볼 수 있다. 이것은 내가 만든 클래스가 아니라 스프링이 CGLIB라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용해서 AppConfig 클래스를 상속받은 임의의 다른 클래스를 만들고, 그 다른 클래스를 스프링 빈으로 등록한 것이다! (그 임의의 다른 클래스가 바로 싱글톤이 보장되도록 해준다.)

(참고)

아마도 다음과 같이 바이트 코드를 조작해서 작성되어 있을 것이다. (실제로는 CGLIB의 내부 기술을 사용하는데 매우 복잡하다.)
- @Bean이 붙은 메서드마다 이미 스프링 빈이 존재하면 존재하는 빈을 반환하고, 스프링 빈이 없으면 생성해서 스프링 빈으로 등록하고 반환하는 코드가 동적으로 만들어진다.
- 덕분에 싱글톤이 보장되는 것이다.
- (참고) AppConfig@CGLIB는 AppConfig의 자식 타입이므로, AppConfig 타입으로 조회할 수 있다.

🤔 만약 @Configuration 을 적용하지 않고, @Bean 만 적용하면 어떻게 될까?
: @Configuration 을 붙이면 바이트코드를 조작하는 CGLIB 기술을 사용해서 싱글톤을 보장하지만, 만약 @Bean만 적용하면 어떻게 될까?

확인해보자.

AppConfig에 @Configuration을 지워보자.

configurationDeep() 테스트를 다시 실행해보자.
- bean = class hello.core.AppConfig
  - 이 출력 결과를 통해서 AppConfig가 CGLIB 기술 없이 순수한 AppConfig로 스프링 빈에 등록된 것을 확인할 수 있다.
- call AppConfig.memberService call AppConfig.memberRepository call AppConfig.memberRepository call AppConfig.orderService call AppConfig.memberRepository
  - 이 출력 결과를 통해서 MemberRepository가 총 3번 호출된 것을 알 수 있다. 한번은 @Bean에 의해 스프링 컨테이너에 등록하기 위해서이고, 두번은 각각 memberRepository() 를 호출하면서 발생한 코드다.

인스턴스가 같은지 확인해보자. (configurationTest 테스트 실행)
- 당연히 인스턴스가 같은지 테스트하는 코드도 실패하고, 각각 다 다른 MemoryMemberRepository 인스턴스를 가지고 있다.
- 그리고 memberService에 들어있는 memberRepository는 스프링 빈이 아니다. (직접 new MemoryMemberRepository() 한 것과 같다. 스프링 컨테이너가 관리하지 않음.)
- 그리고 orderService에 들어있는 memberRepository 또한 스프링 빈이 아니다. (직접 new MemoryMemberRepository()한 것과 같다. 스프링 컨테이너가 관리하지 않음.)

✔️ 정리

@Bean만 사용해도 스프링 빈으로 등록되지만, 싱글톤을 보장하지 않는다.
- @Configuration 없이 @Bean만 사용해서 스프링 빈을 등록해도 싱글톤으로 등록된다. 싱글톤이 안되고, 문제가 되는 부분은 @Bean으로 수동 등록할 때, 내부의 의존관계를 직접 메서드 호출로 주입할 때만 발생한다. 이때 문제를 해결해주는 것이 @Configuration 애노테이션이다. (memberRepository() 처럼 의존관계 주입이 필요해서 메서드를 직접 호출할 때 싱글톤을 보장하지 않는다.)
크게 고민할 것이 없다. 스프링 설정 정보는 항상 @Configuration 을 사용하자.

강의를 듣고 정리한 글입니다. 코드와 그림 등의 출처는 김영한 강사님께 있습니다.

김수호

현실에서 한 발자국

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