2-3 Singleton (싱글톤 패턴)

# 싱글톤 패턴

프로세스에 객체의 인스턴스가 단 하나만 존재하도록 만드는 패턴.

⭕ Static 메모리 영역에 객체를 하나만 생성, 재사용함으로서 메모리 낭비를 방지한다.

⭕ 객체를 새로 생성하지 않고, 기존의 객체를 재사용함으로서 로딩 시간을 줄여 성능을 향상시킨다.

❌ (안티 패턴) 싱글톤 객체가 상태 값을 가질 경우 정말 찾기 힘든 Side-Effect와 장애를 만들 수 있다.

❌ 멀티스레드 환경에서 적절한 동기화 처리를 하지 않으면, 싱글톤 인스턴스가 2개가 생길 가능성이 있다.

 

# 싱글톤 패턴의 구현

@1. 즉시 로딩 (Eager initialization)

➡ 가장 단순한 방법이다. private static final 을 사용해서, 클래스가 JVM에 읽혀질 때 객체가 만들어지도록 한다.

❌ 클래스가 생성되는 시점에 어떠한 예외 처리도 할 수 없다. 난감하다.

❌ 싱글톤 객체를 전혀 사용하지 않아도, 클래스 로딩 시점에 인스턴스가 생성 되어있다..

public class Singleton {

    private static final Singleton instance = new Singleton();

    // 생성자를 사용 못하게 막아버린다.
    private Singleton() {}

    // 필요하면 getInstance()를 이용하여 가져온다.
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

 

@2. 지연 로딩 (Lazy initialization)

➡ 그러면 사용하는 시점에 인스턴스를 생성하면 되는거 아닐까?

❌ 멀티 스레드에서 동기화 되지 않는다. 즉 동시에 getInstance()를 호출해서 인스턴스가 2개가 만들어 질 수 있다.

public class LazyInitialization {

    private static LazyInitialization instance;
    
    private LazyInitialization() {}

    public static LazyInitialization getInstance() {
        if (instance == null) { // getInstance()의 호출 시점에 생성함.
            instance = new LazyInitialization();
        }
        return instance;
    }
}

 

@3. Thread Safe, Double checked Locking

➡ 아 멀티 스레드야 뭐, synchronzied 붙이면 되는거잖아?

❌ getInstance()를 호출할 때 마다 synchronzied 때문에 스레드가 블록된다. 성능이 크게 떨어진다.

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

➡ 아니 매번 블록한다는게 아니라 조건문 달아서 첫 생성때만 synchronzied를 하자구!

❌ if (null) 일 때만 스레드 블록을 한다고 한들 내부에서 비교를 2번 (Double Check) 해줘야하고 성능도 여전히 안좋다.

public static Singleton getInstance(){
    if(instance == null){
        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance == null){
                instance = new Singleton();
            } // synchronized
        } // check - null
    } // double check - null
    return instance;
}

 

 

@4. Lazy Holder 방법 (Bill Pugh's Singleton Implementation)

미국 메릴랜드 대학 연구원인 Bill pugh가 제안한 방법이다.

내부 클래스에서 static으로 생성하여 멀티스레드의 안전을 보장하고, 생성시점을 호출직전으로 미루는 방법.

public class Singleton {
 
    private Singleton(){}
    
    // 객체 생성은 내부클래스(Lazyholder)에서 static으로 만든다.
    private static class LazyHolder{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance(){
        return LazyHolder.INSTANCE; // 외부 클래스에서 사용한다.
    }
}

어? 이렇게하면 @2. 와 같은거 아닌가 싶지만 JVM의 동작과정을 이해하면 큰 차이가 있음을 알 수 있다.

• 자바의 Static영역은 JVM의 클래스로더가 [ .Class ] 를 읽을 때 생성되고 초기화 된다.
• JVM의 클래스로더는 Lazy하게 동작한다. 즉 심볼릭 참조값만 가지고 있다가, 사용되는 시점에 클래스를 읽는다.
• [@4. LazyHolder] 를 사용하면 외부클래스는 바로 읽히지만 내부 클래스는 사용하는 시점까지 로딩이 늦춰진다.
  ⭕ JVM의 최적화에 따라 다르겠지만, 대부분 사용하기 직전까지 객체 생성을 늦출 수 있다.
  ⭕ 게다가 static을 이용한 초기화이기에 멀티스레드에 안전하고, 내부 클래스에서 예외처리도 가능하다.

// 참조 값만 가지고 있을 뿐, 아직 내부 클래스를 사용하지 않았다.
var mySingleton = Singleton.getInstance(); // 즉 아직 까지 내부 클래스는 읽혀지지 않았음.

/* ... other code ... */

mySingleton.method() // 이 시점에 LazyHolder가 읽혀지고, Static영역이 초기화 된다.

생성된 바이트코드의 모습. Methodref[ Singleton.getInstance() ]만 가지고 있을 뿐, 사용하기 전까지 내부 클래스를 읽지 않는다.

 

---

@5. 리플렉션 방어 - Enum

실제 서비스에서 가장 많이 사용하는 방법은 @4.이다. 

다만 [@1~@4]는 전부 자바의 리플렉션 (바이트코드 조작)을 사용하는 서비스는 개발자의 실수로 싱글톤이 깨질 수 있다는 위험성이 있는데, Enum을 사용하면 방지할 수 있다. ➡ 하지만 성능이 구려서 잘 안쓴다.

public enum EnumInitialization {
	INSTANCE;
	static String test = "";
	public static EnumInitialization getInstance() {
		test = "test";
		return INSTANCE;
	}
}

// 리플렉션(바이트코드 조작)까지 사용하는 서비스라면, 이렇게 해버릴 위험이 있긴하다.
public class UsingReflectionToDestroySingleton {
	
	public static void main (String[] args) {
		EagerInitialization instance = EagerInitialization.getInstance();
		EagerInitialization instance2 = null;
		
		try {
			Constructor[] constructors = EagerInitialization.class.getDeclaredConstructors();
			for ( Constructor constructor : constructors ) {
				constructor.setAccessible(true);
				instance2 = (EagerInitialization)constructor.newInstance();
			}
		} catch (Exception e) {
			
		}
		
		System.out.println(instance.hashCode());
		System.out.println(instance2.hashCode());
		
	}
}