싱글톤 패턴(Singleton pattern)

안녕하세요~ 이번에는 디자인 패턴 중 하나인 [싱글톤 패턴(Singleton pattern)]에 대해 알아보겠습니다.

싱글톤 패턴(Singleton Pattern) 이란 ?

싱글톤 패턴은 인스턴스가 오직 1개만 생성되어야 할 때 사용되는 패턴입니다. 애플리케이션이 시작될 때 어떤 클래스가 최초 한 번만 메모리를 할당하고 그 메모리에 인스턴스를 생성합니다.

싱글톤을 쓰는 이유

싱글톤 패턴을 사용하면 하나의 인스턴스를 할당할 메모리 공간만 가지기 때문에 메모리 낭비를 방지할 수 있고 효율적입니다. 또한 전역 인스턴스이기 때문에 다른 클래스의 인스턴스들이 데이터를 공유하기 쉽습니다.

싱글톤의 문제점

싱글톤 인스턴스의 책임이 많아지거나 많은 데이터를 공유할 경우 다른 클래스 인스턴스들과 결합도가 높아져 OCP(개방 폐쇄 원칙)에 위배됩니다. 또한 멀티 스레드 환경에서 동기화 문제가 발생할 수 있으므로 Thread-safe하게 구현해야 합니다.

싱글톤의 다양한 구현

1. Eager initialization (이른 초기화 방식)

public class SingletonPattern {
    private static SingletonPattern singleton = new SingletonPattern();

    public static SingletonPattern getInstance() {
        return singleton;
    }
}

싱글톤을 가장 간단하게 구현할 수 있는 방법입니다. static 변수로 싱글톤 객체를 미리 생성하고 getInstance() 메소드로 싱글톤 인스턴스를 반환합니다. 이 방법은 클래스가 로드되는 시점에 싱글톤 인스턴스가 생성되기 때문에 멀티 스레드 환경에서도 하나의 인스턴스만 생성되는 것이 보장됩니다. 그러나 사용하지 않을 때에도 메모리의 공간을 차지하기 때문에 메모리 공간이 낭비될 수 있습니다.

2. Lazy initialization (늦은 초기화 방식)

public class SingletonPattern {
    private static SingletonPattern singleton;

    public static SingletonPattern getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new SingletonPattern();
        }
        return singleton;
    }
}

늦은 초기화 방식은 사용하지 않을 때에도 메모리 공간을 차지하는 이른 초기화 방식의 단점을 해결해줍니다. static으로 싱글턴 변수를 만들고 getInstance 메소드에서 싱글톤 인스턴스가 null인지 확인하고 null일 경우에만 인스턴스를 생성하고 반환합니다. 이 방식은 메모리 낭비는 없지만 thread safe하지 않습니다. 왜냐하면 싱글톤 인스턴스가 생성되지 않았을 때 2개의 쓰레드에서 동시에 getInstance 메소드를 호출하면 2개의 인스턴스가 생성될 수도 있습니다.

3. Thread safe Lazy initialization (스레드 안전한 늦은 초기화 방식)

public class SingletonPattern {
    private static SingletonPattern singleton;

    public static synchronized SingletonPattern getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new SingletonPattern();
        }
        return singleton;
    }
}

늦은 초기화 방식에서 getInstance 메소드에 synchronized 키워드를 추가해서 Thread safe 하게 만든 방식입니다. synchronized 자바 내부적으로 lock, unlock을 걸어 한번에 하나의 스레드만 접근하는 것을 보장해주지만 성능이 떨어지는 단점이 있습니다.

4. Double checked locking 방식

public class SingletonPattern {
    private static SingletonPattern singleton;

    public static SingletonPattern getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (SingletonPattern.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new SingletonPattern();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

double checked locking 방식은 synchronized 키워드를 메소드에 사용해서 lock을 걸지 않아도 될 코드 부분까지 lock을 걸어 효율이 떨어지는 것을 개선해주는 방식입니다. 메소드에 사용하는 것이 아닌 싱글톤 인스턴스가 null일 경우에만 synchronized를 사용해 한번 더 null 인지 체크한 후 인스턴스를 생성하는 방식입니다.

5. initialization on demand holder idiom (holder에 의한 초기화)

public class SingletonPattern {
    private static class Holder {
        private static final SingletonPattern singleton = new SingletonPattern();
    }

    public static SingletonPattern getInstance() {
        return Holder.singleton;
    }
}

holder에 의한 초기화 방식은 싱글톤 클래스에 내부 클래스를 만든 후 내부 클래스에서 싱글톤 인스턴스를 초기화시키는 방법입니다. getInstance 메소드에서는 내부 클래스의 싱글톤 인스턴스를 반환합니다. 이 방법은 내부 클래스에 static으로 싱글톤 인스턴스를 생성함으로써 메모리에 한 번만 올라가는 것을 보장할 수 있고 싱글톤 클래스가 처음 클래스 로더에 의해 메모리에 올라갈 때는 인스턴스가 생성되지 않고 getInstance 메소드를 호출했을 때 내부 클래스가 메모리에 올라가 인스턴스를 생성합니다. 현재까지 싱글톤 인스턴스를 만들 때 가장 많이 사용하는 방법입니다.

참조

https://jeong-pro.tistory.com/86
https://limkydev.tistory.com/67