[Design Pattern] Singleton

싱글톤

전역 변수를 사용하지 않고 객체를 하나만 생성하도록 하며, 생성된 객체를 어디에서든 참조할 수 있도록 하는 패턴

하나의 인스턴스를 메모리에 등록하여 여러 스레드가 동시에 해당 인스턴스를 공유하여 사용하게끔 할 수 있으므로, 요청이 많은 곳에서 사용하면 효율을 높일 수 있습니다.
인스턴스가 절대적으로 한 개만 존재하는 것을 보증하고자 사용합니다.

다이어그램

getInstance 메서드를 통해 모든 클라이언트에게 동일한 인스턴스를 반환합니다.

어떤 경우에 사용할까?

위에서 언급했듯이 인스턴스가 한 개만 존재하도록 제한하고자 할 때 사용합니다.
인스턴스의 잦은 생성으로 인한 메모리 낭비를 방지하고자 할 때 사용합니다.
공통된 객체를 여러 곳에서 이용할 때, 일일이 전달하기가 번거롭기 때문에 싱글톤 패턴을 이용하여 어디서든 해당 인스턴스에 접근하게 할 수 있습니다.
- DBCP(Database Connection Pool): DB와 연결하는 커넥션을 미리 생성해두고 풀에 저장해두었다가 필요할 때 꺼내쓰고, 사용 후 반환하는 기법. 각각의 연결 요청에 따라 인스턴스를 생성하는 것은 에러 이슈가 발생합니다. 싱글톤 패턴을 이용해 구현하므로써 무분별한 객체 생성을 막을 수 있습니다.
- Logger(로거): 계측, 수집한 각종 데이터를 보존하는 장치. 로그를 남길 때마다 로거 객체를 생성하는 것은 비효율적이기 때문에 싱글톤 패턴으로 시스템 자원 소모를 줄일 수 있습니다.

장점

위에 대부분 나온 부분이지만 간단히 다시 정리해보겠습니다.

메모리 낭비를 줄인다.
두 번째 이용부터는 객체 로딩 시간이 현저히 줄어 성능이 좋아진다.
싱글톤 인스턴스를 이용하는 다른 클래스들의 인스턴스들이 데이터를 공유하기 쉽다.

단점

싱글톤 인스턴스에 의해 너무 많은 데이터를 공유시킬 경우 다른 클래스의 인스턴스들 간의 결합도가 높아져 OCP을 위반하게 된다.
- OCP(Open-Closed Princitle): 소프트웨어 개체는 확장에 대해서는 열려있어야 하고, 수정에 대해서는 닫혀있어야 한다는 프로그래밍 원칙
- 위와 같은 이유로 수정이 어려워지고 유지보수의 비용이 높아질 수 있습니다.
멀티 스레드 환경에서 동기화 처리를 하지 않을 경우, 2개 이상의 인스턴스가 생성될 수 있습니다.
- 각 스레드마다 동일 메모리를 공유하는 것이 아닌 별도 메모리 공간에서 변수를 읽어오기 때문에 각 스레드마다 동일한 변수의 값을 다르게 기억할 수 있습니다.
- sychronized 키워드로 방지할 수 있습니다. 하단 예시를 참고해주세요.
코드가 복잡해질 수 있습니다.

예시

여러 가게에서 한 물류센터에 A 신발을 받아와 판매를 한다고 할 때, 가게 객체에선 A 신발의 객체를 공유하도록 한다고 생각하고 예시를 만들어 보았습니다.

즉 A 신발을 파는 모든 가게에선 물류 센터 내의 신발 개수를 공유합니다.

사실 실제 이런 경우라면 당연히 다른 방법을 쓰겠지만.. 싱글톤 특성인 요소 간 공유 위주로 설명하기 위한 단순한 예를 가져왔습니다.

Shoes

interface Shoes{
    public int getNumberOfShoes();
    public String getShoesId();
    public void setNumberOfShoes(int numberOfShoes);
    public void setShoesId(String shoesId);
}

ShoesA

class ShoesA implements Shoes{
    private static ShoesA shoesA = new ShoesA();
    private String shoesId;
    private int numberOfShoes;
    private ShoesA(){}

    public static ShoesA getInstance(){
        return ShoesA.shoesA;
    }

    public int getNumberOfShoes(){
        return this.numberOfShoes;
    }

    public String getShoesId(){
        return this.shoesId;
    }
    
    public void setNumberOfShoes(int numberOfShoes){
        this.numberOfShoes = numberOfShoes;
    }

    public void setShoesId(String shoesId) {
    	this.shoesId = shoesId;
    }
}

Store

class Store{
    ArrayList<Shoes> shoeses;
    public Store(){
    	this.shoeses = new ArrayList<Shoes>();
    }
    public void addShoes(Shoes shoes) {
        // 한 신발에 대한 객체는 한 번만 저장
    	if(!shoeses.contains(shoes))
    	    shoeses.add(shoes);
    }
    public void sellShoes(Shoes shoes, int number){
        shoes.setNumberOfShoes(shoes.getNumberOfShoes()-number);
    }
    public void printShoeses(){
        System.out.println(this);
        for(Shoes shoes:shoeses){
            System.out.println(shoes.getShoesId()+": "+shoes.getNumberOfShoes());
        }
    }
}

Main

class Main {
	public static void main(String[] args) {
		Store ShoesMarket = new Store();
		Store ShoesWorld = new Store();

		// 물류센터
		ShoesA.getInstance().setShoesId("asd1234");
		ShoesA.getInstance().setNumberOfShoes(1024);
		
		// 가게에서 신발A 판매 시작
		ShoesMarket.addShoes(ShoesA.getInstance());
		ShoesWorld.addShoes(ShoesA.getInstance());
		
		// 재고 확인
		ShoesMarket.printShoeses();
		ShoesWorld.printShoeses();
	
		// 신발 판매
		ShoesA shoesA = ShoesA.getInstance();
		ShoesMarket.sellShoes(shoesA, 3);
		
		// 재고 확인
		System.out.println("----------ShoesMarket에서 신발A 3켤레 판매 후----------");
		ShoesMarket.printShoeses();
		ShoesWorld.printShoeses();
	}
}

출력

Store@27716f4
asd1234: 1024
Store@8efb846
asd1234: 1024
----------ShoesMarket에서 신발A 3켤레 판매 후----------
Store@27716f4
asd1234: 1021
Store@8efb846
asd1234: 1021

한 가게에서 신발A를 팔았을 때 다른 가게에서도 신발A에 대한 수량이 바뀐 것을 확인할 수 있습니다.

멀티 스레드 환경에서 싱글톤

위와 다르게 멀티 스레드에서의 싱글톤을 알아보기 위해 더 단순한 형태로 두 클래스를 만들었습니다.

Person - 싱글톤 인스턴스를 호출할 스레드

class Person extends Thread {
	int id;

	public Person(int id) {
		this.id = id;
	}

	public void run() {
		Apple.getInstance().print("Person ID: " + this.id + " / Apple: " + Apple.getInstance().toString());
	}
}

Apple - 싱글톤 클래스

class Apple{
	private static Apple apple = new Apple();
	private Apple() {}
	public static Apple getInstance() {
		return apple;
	}
	public void print(String str) {
		System.out.println(str);
	}
}

Main

class Main {
	public static void main(String[] args){
		int maxStore = 10;
		Person[] People = new Person[maxStore];
		
		for (int i = 0; i < maxStore; i++) {
			People[i] = new Person(i);
			People[i].start();
		}
	}
}

출력

Person ID: 6 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 1 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 9 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 5 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 2 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 4 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 8 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 3 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 7 / Apple: Apple@c7b723d
Person ID: 0 / Apple: Apple@c7b723d

여러 스레드에서 호출했지만 싱글톤 특성에 맞게 같은 객체가 반환됨을 확인할 수 있습니다.

이때 Apple 내의 공통적인 필드를 여러 스레드에서 수정한다면 어떻게 될까요?

Apple - count 변수 공유

class Apple {
	private static Apple apple = new Apple();
	private int count = 0;

	private Apple() {
	}

	public static Apple getInstance() {
		return apple;
	}

	public void print(String str) {
		count++;
		System.out.println(str + " / Count: " + this.count);
	}
}

count 변수를 추가하고 print 메소드에서 수정 후 함께 출력해줍니다.

위와 동일한 Main을 돌리면 다음처럼 출력됩니다.

Person ID: 0 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 1
Person ID: 1 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 5
Person ID: 3 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 4
Person ID: 4 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 4
Person ID: 5 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 6
Person ID: 2 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 2
Person ID: 6 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 7
Person ID: 9 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 8
Person ID: 8 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 8
Person ID: 7 / Apple: Apple@1db55e5d / Count: 9

Count 부분을 보면 같은 Apple 객체를 사용하지만 전혀 동기화가 되지 않는 모습을 볼 수 있습니다.

sychronized

synchronized 키워드를 여러 스레드가 동시에 접근하지 못하게 할 곳 (동기화가 필요한 부분)에 추가합니다.

저는 count에 대한 수정이 있는 print 메소드에 추가했습니다.

Apple

class Apple {
	private static Apple apple = new Apple();
	private int count = 0;

	private Apple() {
	}

	public static Apple getInstance() {
		return apple;
	}

	public synchronized void print(String str) {
		count++;
		System.out.println(str + " / Count: " + this.count);
	}
}

다시 동일한 Main을 run하면 다음처럼 출력 됩니다.

출력

Person ID: 2 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 1
Person ID: 9 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 2
Person ID: 8 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 3
Person ID: 1 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 4
Person ID: 5 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 5
Person ID: 4 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 6
Person ID: 6 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 7
Person ID: 7 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 8
Person ID: 3 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 9
Person ID: 0 / Apple: Apple@73c124cd / Count: 10

count가 접근되는 순서대로 수정되었고, 동기화가 잘 되어 중복이 없음을 확인할 수 있습니다.

싱글톤 vs 정적 클래스 (C#)

정적 클래스란 인스턴스를 만들 수 없는 클래스로, 모든 멤버를 static으로 선언해야 합니다.

전역적으로 접근해야 하는 유틸리티 클래스의 경우 정적 클래스로 만들면 유용하게 사용할 수 있습니다.

인스턴스를 가질 수 없고 메소드만 사용하기 때문에 절차지향적인 함수에 더 가깝습니다. 즉, OOP(Object Oriented Programming)의 원칙을 따라가지 않습니다.

	싱글톤	정적 클래스
원리	하나의 인스턴스를 생성해 재사용	인스턴스를 생성하지 않고 정적 멤버에 접근
인터페이스 구현	가능	불가능
OOP	O	X
Override	가능	불가능
Load	필요할 때 Lazy Initialization 가능	정적 바인딩되어 컴파일 시간에 Load
성능	상대적으로 느림	정적 바인딩을 이용해 빠름

싱글톤의 Early Initialization: 클래스가 로드될 때 인스턴스가 생성되는 것으로, 위의 예시는 다 이 방법을 사용했습니다.
- 가장 간단하지만 클라이언트에서 사용하지 않더라도 인스턴스가 항상 생성되는 것이 단점입니다.
```
class SingltonEarly{
  private static SingltonEarly singltonEarly = new SingltonEarly();
  ...
}
```
싱글톤의 Lazy Initialization: getInstance를 호출할 때 객체를 생성하는 것으로 인스턴스가 필요할 때 생성하므로써, Early Initialization의 단점을 보완합니다.
- 이 방법은 멀티 스레드에서 2개 이상의 인스턴스가 생성될 수 있으니 동기화를 해주어야 합니다.
- 아래는 동기화가 되지 않은 상태입니다.
```
class SingltonLazy{
  private static SingltonLazy singltonLazy;
  public static SingltonLazy getInstance(){
  if(singltonLazy == null){
      singltonLazy = new SingltonLazy();
  }
  return singltonLazy;
  }
  ...
}
```

끝

싱글톤 패턴은 제약이 확실해야 하는 만큼 구현이 복잡하고 다양한 방법이 있네요.

직렬화/역직렬화 관련 내용은 빼고 정리했는데도 글이 엄청 길어졌습니다.

직렬화/역직렬화 자체에 대한 이해가 부족해 다음에 다시 보기로 하고 넘겼지만 관련 내용은 참고 링크 중 가장 마지막 링크로 가시면 보실 수 있습니다.

참고

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

https://webdevtechblog.com/%EC%8B%B1%EA%B8%80%ED%84%B4-%ED%8C%A8%ED%84%B4-singleton-pattern-db75ed29c36

https://mygumi.tistory.com/265

https://javaplant.tistory.com/21

https://twpower.github.io/227-singleton-pattern-concept-and-example

https://yaboong.github.io/design-pattern/2018/09/28/thread-safe-singleton-patterns/

감사합니다.

Text by Chaelin. Photographs by Chaelin, Unsplash.

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