Singleton 디자인 패턴

디자인 패턴중 singleton 패턴은 application에서 생성되는 객체를 특정 class에 대해서 하나의 객체만 생성 되어야 하는 경우에 사용한다

• singleton 패턴 - https://ko.wikipedia.org/wiki/싱글턴_패턴

예를 들어 application에서 DB에 접속을 담당하는 connection pool과 같은 반복되는 작업에 대해서 무분별하게 실행되지 않도록 작업의 수행 횟수를 조절하는 경우에 주로 사용된다

Singleton 특징

객체의 생성 방법

singleton 패턴으로 이루어진 객체는 개발자가 직접 객체를 생성할 수 없고 객체를 얻기 위한 별도의 method를 호출 해야 한다

다중 thread 환경에서 문제

singleton 패턴의 구현 방법에 따라 thread safe 하지 않을 수 있다

singleton 객체가 생성되는 과정에서 비즈니스 로직이 실행 되는 시간 보다 singleton 객체 요청 method가 빠르게 여러번 호출 된다면 singleton 패턴의 의도와 다르게 객체가 여러개 생성 된다

구현

Thread safe하지 않은 singleton

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        System.out.println("Singleton 객체 생성");
        // 객체의 초기화 비즈니스 로직
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (Exception exception) {}
    }

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

singleton 객체의 생성 시점에 특정 비즈니스 로직에 의해서 어느정도 시간이 소요되는 것을 가정한다

/**
 * single thread 환경에서의 singleton 테스트
 */
public class SingletonSingleThreadMain {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton00 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton01 = Singleton.getInstance();

        System.out.println("singleton00 hashCode: " + singleton00.hashCode());
        System.out.println("singleton01 hashCode: " + singleton01.hashCode());
    }
}

Singleton 객체 생성
singleton00 hashCode: 474675244
singleton01 hashCode: 474675244

단일 thread 환경에서는 Singleton.getInstance 메서드가 순차적으로 호출되기에 Singleton 객체는 의도한대로 하나의 객체만 생성 되고 나중에 호츨한 Singleton.getInstance 메서드에서는 직전에 생성한 객체가 반환된다

/**
 * multi thread 환경에서의 singleton 테스트
 */
public class SingletonMultiThreadMain {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread00 = new Thread(() -> {
            Singleton singleton00 = Singleton.getInstance();
            System.out.println("singleton00 hashCode: " + singleton00.hashCode());
        });

        Thread thread01 = new Thread(() -> {
            Singleton singleton01 = Singleton.getInstance();
            System.out.println("singleton01 hashCode: " + singleton01.hashCode());
        });

        thread00.start();
        thread01.start();
    }
}

Singleton 객체 생성
Singleton 객체 생성
singleton00 hashCode: 1887756893
singleton01 hashCode: 1907500473

그러나 다중 thread 환경에서는 Singleton.getInstance 메서드가 호출후에 메서드의 종료가 Singleton.getInstance를 다시 호출하게 되고 Singleton 객체에 static 선언된 instance 변수에 할당 되기 전이므로 새로운 Singleton 객체를 생성하게 된다

Thread safe한 singleton

Synchronized, Volatile

public class SynchronizedSingleton {
    private static volatile SynchronizedSingleton instance;

    private SynchronizedSingleton() {
        System.out.println("Singleton 객체 생성");
        // 객체의 초기화 비즈니스 로직
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (Exception exception) {}
    }

    public static SynchronizedSingleton getInstance() {
        if (instance != null) {
            return instance;
        }

        synchronized (SynchronizedSingleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SynchronizedSingleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}

Singleton 객체 생성
singleton01 hashCode: 640253301
singleton00 hashCode: 640253301

다중 thread 환경에서 thread safe하도록 수정한 SynchronizedSingleton 클래스이다

thread safe에 만족하기 위해서 두가지 키워드를 사용하였다

• volatile
  변수에 volatile 키워드를 추가하면 변수를 항상 메인 메모리에 할당하여 사용하겠다는 의미이다
  thread safe를 위해서 volatile를 사용하는 이유는 다중 thread 환경에서는 2개 이상의 CPU를 사용할 수 있는데 각 CPU의 cache 메모리가 존재하고 volatile를 사용하지 않으면 변수의 접근을 cache 메모리를 사용하게 되므로 stiatc으로 선언된 변수임에도 내용이 어긋날 가능성이 있기 때문에 volatile를 사용해서 항상 메인 메모리로 접근하게 하기 위함이다

• synchronized
  특정 비즈니스 로직을 동시에 실행하지 못하도록 동기화한다
  클래스 단위로 동기화 하여 다중 thread 환경에서도 해당 비즈니스 로직이 동시에 실행되지 않게 하여 instance가 동시에 여러개가 생성되지 않도록 한다

Bill pugh

public class InnerClassSingleton {
    private InnerClassSingleton() {
        System.out.println("Singleton 객체 생성");
        // 객체의 초기화 비즈니스 로직
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (Exception exception) {}
    }

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

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

Singleton 객체 생성
singleton00 hashCode: 1853204767
singleton01 hashCode: 1853204767

InnerClassSingleton 클래스는 SynchronizedSingleton 클래스의 단점을 보완한 thread safe한 singleton 객체이다

SynchronizedSingleton 클래스에서 사용한 synchronized는 다중 thread 환경에서 순차적인 처리를 강제하므로 병목 현상이 발생하므로 성능 하락의 문제가 발생한다

static으로 선언된 내부 클래스를 사용한 bill pugh 방법으로 구현한 singleton 객체는 첫번째 thread가 InnerClassSingleton.getInstance가 호출하면 static 내부 클래스가 생성될 때 까지 JVM이 두번째 InnerClassSingleton.getInstance 호출을 대기시키고 첫번째 thread에 호출이 종료되면 하나의 instance가 생성되고 두번째 thread에서 호출을 첫번째 thread에서 생성된 instance를 반환하게 된다

결론

application 전체에서 하나의 객체만을 생성하게 하는 디자인 패턴으로 객채 생성 비용을 절약하며 특정 비즈니스 로직에 대해서 유효성을 보장할 수 있지만, 해당 조건을 만족하기 위해서는 다중 thread 환경을 고려하여 구현 하여야 한다