[디자인 패턴] 생성 패턴 - 싱글톤 패턴

싱글톤 패턴이란?

• 하나의 클래스를 기반으로 여러개의 인스턴스를 만들 수 있지만, 그렇게 하지 않고 하나의 인스턴스만 만들어 사용하는 패턴.
• 일반적으로 데이터베이스 연결 모듈에서 사용한다고 보면 되겠음.

싱글톤 패턴 사용 이유

1. 데이터베이션 커넥션 풀과 같이 하나의 인스턴스만 만들어 두고 이 인스턴스를 재활용하여 필요로 하는 작업들을 수행할 수 있는 경우와 같이, 인스턴스를 불필요하게 여러개 만들 필요가 없을 때 싱글톤으로 관리하여 불필요한 자원 사용을 막기 위해.

싱글톤 패턴 생성 방법

0. 기본적인 방식

• 싱글톤 패턴을 적용하기 위해서는 두 개 이상의 인스턴스를 만드는 것을 막아야 하기 때문에 우선적으로 객체 생성을 위한 new 키워드에 제약조건을 걸어줘야 하고, 만들어진 단일 객체를 반환할 수 있는 메소드가 필요합니다.

public class Main {  
 
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();  
 
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // True  
    }  
 
    static class Singleton {  
        private static final Singleton INSTANCE;  // static 영역에 미리 하나 만들어 놓은 후, 객체 생성을 getIntance()로 호출하여, 항상 같은 인스턴스를 리턴하도록 설정
 
        public static Singleton getInstance() {  
            if(INTANCE == null) {
                INSTANCE = new SingleTon();
            }
            return Singleton.INSTANCE;  
        }  
 
        // 생성자를 통해 인스턴스를 만드는 것을 막아주기
        private Singleton{}(
            // 내부적으로 호출하는 경우 예외를 던져 내부에서도 새로운 인스턴스를 만들지 못하도록 설정.
            throw new AssertionError();
        )
    }  
}

• 하지만 이 방식의 경우 Thread Safe 하지 않다는 치명적인 단점이 있음.

    public static Singleton getInstance() {  
            // Thread A와 Thread B에서 동시에 getInstance()를 호출하게 되면 if 조건분기문이 A와 B에서 모두 통과하는 경우 SingleTon이 깨지게 됨.
            if(INTANCE == null) {
                INSTANCE = new SingleTon();
            }
            return Singleton.INSTANCE;  
    }  

• 위 코드에서 여러 스레드가 동시에 getInstance()를 동시에 호출하는 경우 Singleton 인스턴스가 두 개 생성되어 싱글톤 패턴이 깨질 우려가 있음.

Thread Safe한 싱글톤 패턴 구현 방법에 대해 알아봅시다.

1. static + 중첩클래스(홀더) 방식

public class Singleton {
 
    private Singleton() {
    }
 
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton SINGLETON_OBJECT = new Singleton();
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.SINGLETON_OBJECT;
    }
}

• 애플리케이션 당 단 하나 + SingletonHoder를 실제 사용할 때까지 초기화를 미룸.
• JVM의 클래스 로더에 의해 로드될 때 내부적으로 실행되어 생성됨.
• 정적 초기화로 생성되므로 Thread Safe하다는 장점.
  • Thread Safe : 여러 스레드에서 getInstance()를 호출해도 단 하나의 인스턴스만 리턴.

2. Eager init 방식

public class Singleton {
    private static final Singleton SINGLETON_OBJECT = new Singleton();
 
    private Singleton() {
    }
 
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return SINGLETON_OBJECT;
    }
}

• 미리 static 영역에 싱글톤 인스턴스를 생성해두는 방식.
• 만약 생성 비용이 크고, 인스턴스를 사용하지 않는다면 메모리 낭비의 우려가 있음.
• 추가로 생성과 동시에 final 키워드를 통해 불변성을 보장해줄 수 있음.

3. Synchronized lazy init 방식

static class Singleton {  
    private static Singleton singletonObject;  
 
    private Singleton() {  
    }  
 
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (singletonObject == null) {  
            singletonObject = new Singleton();  
        }  
 
        return singletonObject;  
    }  
}

• 단순히 synchronized 키워드를 사용하여 getInstance() 메소드에 하나의 스레드만이 접근할수 있도록 하게 하는 방법.
• 여러 스레드가 동시에 접근하게 되면 동기화 작업이 이루어지기 때문에 성능저하 발생할 수 있음.

4. double check locking 방식

• volatile 키워드와 더블 체크를 통한 synchronized 키워드를 활용하여 초기화 할 때만 동기화 작업을 수행하는 방법.
• volatile keyword는 Java 변수를 Main Memory에 저장하겠다라는 것을 명시하는 키워드
• 앞선 synchronized lazy init 방식 처럼 getInstance()를 호출할 때마다 동기화 작업에 걸리는 것이 아니라, "최초" 초기화 시에만 동기화 작업 수행.
• JVM 버전이 1.5 이상인 경우에만 적용 가능

public class Singleton {
    // volatile 키워드 사용
    private static volatile Singleton singletonObject;
 
    private Singleton() {
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if (singletonObject == null) {
            // if 문 진입 시에만 Singleton 클래스에 대한 동기화 작업 수행
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singletonObject == null) {
                    singletonObject = new Singleton();
                }
            }
        }
 
        return singletonObject;
    }
}

5. Enum 방식

• enum 타입으로 싱글톤을 적용하는 방법.
• 훨씬 간결하게 사용 가능하며, Serialize 또는 Reflection 공격에서도 싱글톤이 깨지는 것을 완벽히 막을 수 있음.
• 만드려는 싱글톤이 enum외의 클래스를 상속해야 한다면 이 방법은 사용할 수 없습니다. (다만, enum Singleton implements ~와 같이 인터페이스는 구현하도록 선언할 수는 있음)

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

<참고 자료>