[디자인패턴] Singleton Pattern - java

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Java -Singleton

보통의 클래스는 하나의 클래스를 기반으로 여러 개의 인스턴스를 만들 수 있다. 그러나

싱글톤 패턴은 단 하나의 인스턴스만 생성하여 애플리케이션 전역에서 공유하도록 설계된 패턴이다.

멀티스레드 환경에서의 안전성과 같은 실질적인 문제 해결 능력을 키울 수 있다.

Java는 싱글톤 패턴을 구현하기에 적합한 언어적 특성을 제공한다.

• 클래스 로딩 특성
  • Java는 클래스 로드 시점에 한 번만 static 초기화가 이루어진다. 이 특성을 활용하면 싱글톤 패턴을 구현하기 쉽다.
  • 특히, Lazy Holder 방식이나 정적 멤버 초기화 방식은 Java의 클래스 로딩 동작을 기반으로 설계된다.
• Enum 지원
  • Java의 enum은 기본적으로 싱글톤 패턴을 지원하도록 설계되어 있다. 하나의 enum 상수는 애플리케이션 전역에서 유일하게 유지되며, JVM이 생성과 스레드 안전성을 보장한다.
• 언어적 안전성
  • Java는 멀티스레드 환경에서 동기화와 메모리 가시성 문제를 해결하기 위해 synchronized 키워드, volatile 키워드 등을 제공한다.
  • 이러한 기능은 멀티스레드 환경에서도 안전한 싱글톤 패턴 구현을 돕는다

1. 단순한 메서드 호출

가장 기본적인 싱글톤 패턴 구현 방법으로, 객체를 생성하기 전에 존재 여부를 확인하고 없으면 생성한다.

그러나 멀티스레드 환경에서는 두 개 이상의 인스턴스가 생성될 가능성이 있어 실무에서 권장되지 않는다.

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // private 생성자
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

만약 이렇게 실행했을 경우 여러 개의 스레드가 동작할 경우에 동시성 문제가 발생하게 된다. 그 문제를 해결하기 위해 2번과 같은 방법으로 해결 할 수 있다.

2. synchronized 키워드를 활용한 방법

동기화를 통해 멀티스레드 환경에서 안전성을 확보할 수 있지만 getInstance() 메서드 호출 시마다 lock이 걸리기 때문에 성능 저하가 발생할 수 있다.

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

3. 정적 필드

싱글톤 인스턴스를 정적 멤버로 선언하고, 클래스가 로드될 때 초기화하는 방법이다.

초기화가 빠르고 간단하지만, 인스턴스를 필요로 하지 않아도 클래스 로드 시점에 메모리에 할당된다.

public class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

4. 정적 블록을 활용한 방법

정적 블록을 사용하여 즉시 초기화를 수행한다. 복잡한 초기화 로직이 필요한 경우 유용하다.

하지만 필요하지 않은 경우에도 초기화가 진행되는 문제는 동일하다.

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

5. 중첩 클래스 (Lazy Holder)

중첩 클래스(Lazy Holder)를 활용한 방법은 가장 널리 쓰이는 방식 중 하나

getInstance() 메서드가 호출될 때만 중첩 클래스가 로드되어 인스턴스를 생성한다.

public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

이 방법은 클래스 로드 시점에 초기화하지 않으므로 메모리 효율적이며, 멀티스레드 환경에서도 안전하다.

6. 이중 확인 잠금 (Double Checked Locking)

이중 확인 잠금(DCL)은 성능과 스레드 안전성을 모두 고려한 방법

먼저 인스턴스 생성 여부를 확인하고, 필요 시에만 동기화를 수행한다. volatile 키워드를 사용하여 메모리 가시성 문제를 해결한다.( = 한 스레드에서 volatile 변수를 변경하면, 다른 모든 스레드에서 즉시 변경된 값을 읽을 수 있다)

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;
    }
}

volatile 키워드 참고

메모리 구조에는 메인 메모리(RAM) 위에 캐시 메모리가 있다. java에서는 변수를 메인 메모리에서 가져온느 것이 아니라 성능 최적화를 위해 캐시 메모리를 기반으로 가져오게 된다.

• 일반 변수: 각 스레드는 CPU의 캐시에 변수를 저장하고 이를 참조할 수 있다. 이로 인해 다른 스레드에서 변수 값을 변경하더라도, 메인 메모리(Main Memory)에 반영되지 않으면 다른 스레드가 변경 사항을 감지하지 못할 수 있다.
• volatile 변수: 스레드가 항상 변수의 값을 메인 메모리에서 읽고, 메인 메모리에 직접 쓰도록 강제한다.
  • 즉, 캐시를 사용하지 않고 항상 최신 값을 보장한다.

7. Enum을 활용한 방법

열거형(enum)을 사용하여 싱글톤을 구현하면 기본적으로 스레드 안전성이 보장되며, 인스턴스가 여러 번 생성되지 않는다.

Joshua Bloch(이펙티브 자바 저자)가 추천하는 방법이다.

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void performAction() {
        // 필요한 동작 구현
    }
}

이 방법은 간결하면서도 안전하며, 역직렬화 시에도 별도의 조치 없이 인스턴스의 유일성을 보장한다.

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싱글톤 패턴은 객체의 생성을 제어하고 자원을 효율적으로 관리하는 데 유용하지만 멀티스레드 환경이나 테스트의 독립성이 중요한 경우 주의해서 설계해야 한다.

위 방법 중 중첩클래스가 가장 많이 사용되며, 코드의 간결성과 성능 측면에서 효율적이며 Joshua Bloch가 추천하는 enum 방식은 구현이 간단하고 안정적이어서 구현하기 가장 좋은 방법이다.

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