[Design Pattern] 1. singleton 패턴

개요 

1. 디자인 패턴이 무엇인지, 왜 사용하는지 이해한다.
2. 싱글톤 패턴에 대해 이해하고, 언제 사용하는지 파악한다.
3. 싱글톤 패턴의 장점에 대해 파악한다.

디자인 패턴이란?

디자인 패턴 정의

디자인 패턴이란, 소프트웨어를 설계할 때 특정 맥락에서 자주 발생하는 고질적인 문제들을 피할 수 있도록 널리 알려진 해결책들을 말합니다. 

 

"바퀴를 다시 발명하지 마라(Don't reinvent the wheel)"

 

이 문구의 의미는 이미 만들어져 있어서 완벽한 것을 처음부터 굳이 다시 만들 필요가 없다는 의미입니다. 디자인 패턴은 이 말을 지킬 수 있도록 하는 널리 퍼져있는 해결책을 의미하며, 또한 팀원 사이의 징검다리를 자처하여 의사 소통을 원활하게 해주는 개발자들에게는 굉장히 고마운 개념입니다.

 디자인 패턴 구조 

콘텍스트 

1. 문제가 발생하는 여러 상황을 기술하며, 패턴이 적용될 수 있는 상황을 의미합니다.
2. 경우에 따라서는 패턴이 유용하지 못한 상황을 나타내기도 합니다. 

 

문제 

1. 패턴이 적용되어 해결될 필요가 있는 여러 디자인 이슈를 기술하며, 해당 문제들을 해결하기 위해 제약 사항과 영향력을 고려해야만 합니다.

 

해결 

1. 문제를 해결할 수 있도록 설계를 구성하는 요소들과 그 요소들 사이의 관계, 책임, 협력 관계를 기술합니다.
2. 해결은 반드시 구체적인 구현 방법이나 언어에 의존적이지 않으며 모든 상황에서 적용될 수 있는 일종의 규칙입니다.

Singleton Pattern 이란?

단 하나의 객체를 생성하고 생성된 객체를 어디서든 참조할 수 있도록 하는 패턴입니다. 예를 들어 프린터 객체와 같은 경우, 두개 이상의 인스턴스가 필요가 없기 때문에 한개 이상의 객체가 생성될 경우 자원이 낭비되거나 버그가 발생할 수 있습니다. 따라서 이러한 상황에서 오직 객체를 하나만 생성하고 그 객체를 공유해서 사용하도록 하는 것이 싱글턴 패턴의 주요 목적입니다.  

Singleton Pattern 구현

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

Singleton Pattern 사용

public class OuterClass {
    Singleton instance = Singleton.getInstance();
}

외부 클래스에서 다음과 같이 싱글턴 객체를 얻어와 사용할 수 있습니다.

Multi-Thread 환경에서의 Singleton Pattern

만약에 Multi-Thread 환경에서 두 개 이상의 스레드가 동시에 getInstance() 함수에 접근한다면, 두 개 이상의 객체가 동시에 생성 될 수 있습니다. 이러한 상황을 막기 위해서는 어떻게 해야할까요? 

 

class가 로딩되지마자 객체 생성하기 

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

아예 객체를 미리 생성하여 동시에 접근하여 객체가 두 개 이상 생성되는 상황을 막는 방법입니다. 동기화 문제가 발생하지 않지만 불필요한 시스템 리소스를 낭비하게 된다는 단점이 있습니다. 

synchronized 키워드 사용하기

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

synchronized 키워드를 사용하여 getInstance() 메서드를 동기화하는 방법입니다. 물론 동기화 문제가 발생하지 않지만 수행 시간이 느려진다는 단점이 있습니다.

내부 static 클래스를 사용하는 방법 

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

 

LazyHolder 기법으로 Singleton 클래스의 getInstance() 메서드 내부에서 LazyHolder.INSTANCE를 참조하는 순간 class가 로딩되며 초기화가 진행됩니다. class를 로딩하고 초기화하는 시점은 thread-safe를 보장하기 때문에 volatile이나 synchronized같은 키워드가 불필요 하게 됩니다.

 

 

Reference

https://github.com/GimunLee/tech-refrigerator/blob/master/Design%20Pattern/Singleton%20Pattern.md

GimunLee/tech-refrigerator

https://jungwoon.github.io/java/2019/08/11/Singleton-Pattern-with-Multi-Thread/

멀티스레드 환경에서의 싱글톤 패턴 - Jungwoon Blog