싱글턴 패턴의 다양한 구현 방법을 알아보자.

싱글턴 패턴이란?

싱글턴 패턴은 인스턴스를 오직 1개만 생성하는 디자인 패턴이다.

인스턴스 1개만 생성되는 싱글턴 패턴을 이용하면, 하나의 인스턴스만을 메모리에 등록해서 여러 스레드가 동시에 해당 인스턴스를 공유하여 사용하게끔 할 수 있으므로, 요청이 많은 곳에서 사용하면 성능상 유리한 이점을 가져올 수 있다.

예를들어  만약 스프링이 싱글톤을 지원하지 않는다면,스프링에서 하나의 HTTP를 요청할 때 마다 새로운 스레드가 새로운 객체를 생성하게 되면  웹 애플리케이션의 엄청난 메모리 부하를 가져올 수 있다.

 

단, 싱글턴 패턴을 만들때는 동시성 문제와 성능을 고려해서 싱글턴 패턴을 설계해야 한다. 아래 6가지 방법을 익혀두자.

1. 가장 기본적인 싱글톤 (Lazy Initialization : 늦은 초기화)

public class BasicSingleton {
    private static BasicSingleton uniqueInstance;
    public static BasicSingleton getInstance() {
        if(uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new BasicSingleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

동시성 문제 : 멀티 스레드 환경에서, if문에 두 개이상의 스레드가 동시에 들어가서 실행한다면 인스턴스를 두 개이상 만들 수 있음.

 

 

2. 간단한 Synchronized 적용 (Lazy Initialization : 늦은 초기화)

public class SynchronizedSingleton {
    private static SynchronizedSingleton uniqueInstance;

    public static synchronized SynchronizedSingleton getInstance() {
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new SynchronizedSingleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

성능 문제 : 싱글톤을 최초로 생성하는 경우(==null 일때)에만 Lock을 걸면 되는데, 이 코드는 싱글톤 인스턴스를 가져올때 마다 Lock을 건다.

Thread-safe 보장됨.

 

 

3. 클래스 로드 시점에 생성 ( Eager-Initialization : 이른 초기화)

public class EagerInitializationSingleton {
    private static EagerInitializationSingleton uniqueInstance = new EagerInitializationSingleton();

    private EagerInitializationSingleton(){

    }

    public static EagerInitializationSingleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }

}

성능 문제 : Eager-Initialization 로 인한 문제.

-> 클라이언트에서 이 싱글톤을 사용하지 않더라도 이 인스턴스가 로드됨.

Thread-safe 보장됨.

 

 

4. Double - Checking - Locking : 동시성 문제와 성능 문제(일부)를 해결(Lazy Initialization : 늦은 초기화)

public  class DoubleCheckingLockingSingleton {
    private volatile static DoubleCheckingLockingSingleton uniqueInstance;

    private DoubleCheckingLockingSingleton(){

    }

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

인스턴스를 얻어오는 메소드 안에 두 개의 if문으로 더블 체킹을 하는 것.

 

또다른 성능문제: 이 과정에서 하나의 if문 안에 들어갔을 때, synchronized로 locking 하는 방식.

여기서 uniqueInstance 변수를 자세히 보면 volatile 키워드가 붙은것을 확인할 수 있다. 이는 캐시 관련 문제를 해결하기 위해 사용하는 키워드인데, volatile을 사용함으로써 또 다른 성능 문제를 가져온다.

volatile : volatile가 붙은 변수는 CPU의 캐시를 거치지 않고 바로 메인 메모리로 read/write됨.

 

 

5. Enum을 사용한 singleton (Eager-Initialization : 이른 초기화)

public enum EnumSingleton {
    uniqueInstance;
}

 

• 리플렉션을 통해 싱글톤을 깨트리는 공격에 안전
• 직렬화 보장

 

성능 문제 : Eager-Initialization로 인한 문제와 싱글톤이 Enum 외의 클래스를 상속해야 하는 경우에는 사용할 수 없다.

또한 안드로이드 같이 Context 의존성이 존재하는 환경일 경우 싱글턴 초기화시 Context라는 의존성이 끼어들 가능성이 있다.

 

 

6. LazyHolder 기법 (Lazy Initialization : 늦은 초기화)

최근 가장 많이 사용되는 싱글톤 기법으로, 3.클래스 로드 시점에 생성 방법을 개선한 패턴이다.**

volatile 와 synchronized 키워드 없이도 동시성 문제를 해결할 수 있음.

public class LazyHolderSingleton {

    private LazyHolderSingleton() {
    }

    public static LazyHolderSingleton getInstance() {
        return LazyHolder.uniqueInstance;
    }

    private static class LazyHolder {
        private static final LazyHolderSingleton uniqueInstance = new LazyHolderSingleton();
    }
}

• Singleton 클래스에는 LazyHolder 클래스의 변수가 없기 때문에 Singleton 클래스 로딩 시 LazyHolder 클래스를 초기화하지 않음
• Class를 로딩하고 초기화하는 시점은 thread-safe를 보장
• holder 안에 선언된 instance가 static이기 때문에 클래스 로딩 시점에 한번만 호출

또한 여러 쓰레드에서 동시에 LazyHodler를 호출해도, JVM이 알아서 하나의 객체만 올려주기 때문에 volatile 와 synchronized 키워드 없이도 동시성 문제를 해결

 

단점 : 역직렬화 수행시 새로운 객체 생성 , 리플렉션을 이용해 내부 생성자 호출 가능

 

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결론

• LaszHolder : 성능이 중요시 되는 환경
• Enum : 직렬화, 안정성 중요시 되는 환경