싱글튼 패턴(Singleton Pattern)

디자인 패턴은 일반적인 코딩이 아닌 조금 더 고차원적인 아키텍트를 설계하기 위해 알아야 할 몇가지 공통적인 코딩 방법들을 말합니다. 예전에 배웠던 내용을 상기시키며 복습 겸 하나씩 풀어가려 합니다.

그래서 오늘은 가장 많이 쓰일지도 모르는(?) 패턴인 "싱글턴 패턴"에 대해 알아보고자 합니다. 싱글턴 패턴은 유일하게 사용해야할 클래스가 필요할때에 유용하게 쓰이는 디자인 패턴입니다.

"유일하게" 사용해야하는 경우가 언제인지는 직접 파악하셔야 합니다. :0

정의

구현

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        if( instance == null ){ // (1)
            instance = new Singleton(); // (2)
        }
        return instance;
    }
}

정말 필요한 코드로만 구성된 싱글턴 클래스입니다.

생성자가 private 라는 것에 주목하세요. 외부에서 new 를 사용한 객체 생성이 불가능합니다. 따라서 getInstance 메소드를 호출해서 객체를 받아와야 합니다. getInstance() 가 static 메소드인 것도 주목해야 합니다.

그런데 getInstance()는 객체가 없다면 새 객체를 만들어 반환하고, 있다면 기존 객체를 반환합니다. 따라서 단 하나의 객체만을 가지고 여러곳에서 사용이 가능합니다.

예전엔 저렇게 쓰는 줄 알고 있었습니다. 하지만 이 방법은 조금만 더 생각해 보면 문제점이 있다고 해서 조금 더 자료를 찾아봤습니다.

문제점 파악

문제점이 뭔가 했더니 이 클래스를 "멀티 스레드"로 돌릴시에 문제가 생깁니다. 여기에서 말하는 멀티 스레드 문제점이라는 것은 위의 소스 코드에서 주석에서 (1)과 (2)로 표시된 부분을 잘 살펴보시기 바랍니다. 문제가 보이시나요?

만약, 스레드가 3개라고 가정을 해봅시다. 각각의 스레드 이름은 T1, T2, T3이라고 합시다. 그리고 위의 싱글튼 클래스를 호출하는 순간을 상상을 해봅시다.

━━━━━━╋━━╋━━╋━━╋
Thread Name ┃ T1 ┃ T2 ┃ T3 ┃
━━━━━━╋━━╋━━╋━━╋ * Work Flow의 숫자는 상단의 소스코드에 주석으로
Work Flow   ┃(1) ┃    ┃    ┃   표시된 (1)과 (2)번 코드라인입니다.
            ┃(2) ┃(1) ┃    ┃
            ┃    ┃(2) ┃(1) ┃
            ┃    ┃    ┃(2) ┃
━━━━━━╋━━╋━━╋━━╋

T1의 (1)번 플로우로 인해 인스턴스가 null임을 알고 새로운 객체를 만들기 위해 (2)번 플로우로 갑니다. 그리고 T1의 (2)번 플로우가 실행되는 그 순간 T2의 (1)번 플로우가 실행이 되면 아직까진 싱글턴 객체가 없기 때문에 null을 반환 받고 새로운 객체를 만드려 하겠죠. 그리고 T1에서는 이미 싱글턴 객체가 완성이 됩니다. 그 다음 T3의 (1)번 플로우가 실행이 되는 순간엔 T2의 (2)번 플로우도 실행이 되며 결국 싱글튼 객체가 2개가 되어버립니다.

이러한 멀티 스레드 문제점으로 인해 이 싱글턴 클래스는 자기멋대로 객체가 두개 이상이 되어 버립니다. 이러면 싱글튼 패턴을 사용한 클래스가 아니게 되버립니다. (다만, 싱글 스레드에서는 안전합니다.)

해결 방법

싱글튼 클래스를 위한 여러가지 해법이 존재합니다.

add synchronized keyword

간단하게 getInstance() 메소드 앞에 synchronized 를 붙여줍니다. 그럼 해당 클래스를 그대로 활용할 수 있습니다.

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

하지만 synchronized 는 퍼포먼스에 엄청난 영향을 줍니다. 안좋은쪽으로요.

* synchronized 는 행위(메소드)에 대해 동기화하고 volatile 은 객체(인스턴스)에 대해 원자성(atomic)을 보장한다고 보시면 됩니다.

Eager initialization

아니면 객체를 프로그램 시작과 동시에 초기화를 해줘도 됩니다. 이것을 Eager initialization라고 합니다.

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

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

SingletonHolder

이 테크닉을 정확히 무슨 명칭으로 불러줘야 할지 잘 모르겠습니다. 위키피디아에서는 Initialization-on-demand holder idiom라는 이름으로 소개하고 있어요. 미리 초기화 하는것은 Eager initialization 방식과 유사합니다만, 별도의 static class에서 초기화를 해서 가지고 있다는게 특이한 점입니다.

public class Singleton {
     private Singleton(){}

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

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

Using Class

그러면 이 클래스를 한번 사용해 볼까요?

Singleton s = new Singleton(); // (X)
Singleton s = Singleton.getInstance(); // (O)

직접 메소드를 생성해서 값을 넣어보고 빼보고 하시면 더 빠른 이해가 가능할거라 생각합니다.

Closing Remarks

지금까지 싱글턴 패턴에 대해 알아봤습니다. :)

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변동사항
* 2014.10.09 네이버 블로그에서 이동(2013.03.22)
* 2015.07.21 오탈자 수정 및 추가 정보 삽입