[디자인 패턴] 생성패턴 - 싱글톤 패턴이란 (Singleton patterns)

Java/Design Pattern

[디자인 패턴] 생성패턴 - 싱글톤 패턴이란 (Singleton patterns)

민돌v 2023. 2. 8. 10:58

(인프런) 코딩으로 학습하는 GoF의 디자인 패턴 - 백기선, 강의를 보고 정리한 글입니다.
코드는 GitHub 에 있습니다

#1. 객체 생성 관련 패턴	#2. 구조 관련 패턴		#3. 행동 관련 패턴
싱글톤 패턴 팩토리 메소드 패턴 추상 팩토리 패턴 빌더 패턴 프로토타입 패턴	어댑터 패턴 브릿지 패턴 컴포짓 패턴 데코레이터 패턴	퍼사드 패턴 플라이웨이트 패턴 프록시 패턴	책임 연쇄 패턴 커맨드 패턴 인터프리터 패턴 이터레이터 패턴 중재자 패턴 메멘토 패턴	옵저버 패턴 상태 패턴 전략 패턴 템플릿 메소드 패턴 방문자 패턴

✔️ 싱글톤 패턴

인스턴스를 오직 한개만 제공하는 클래스

✔️ 싱글톤 패턴을 사용하는 이유

시스템 런타임, 환경 세팅에 대한 정보 등, 인스턴스가 여러 개 일 때 문제가 생길 수 있는 객체들을 한 곳에서 제어하기 위해서 입니다.
따라서 싱글톤 패턴은 2가지 목적을 가지고 있습니다.
1. 인스턴스를 오직 1개만 만들어야한다. (한 곳에서만 제어하게)
2. 만든 인스턴스에 글로벌하게 접근하는 방식을 제공해야한다.

✔️ 싱글톤 패턴을 구현하는 방법

싱글톤을 구현할 떄 신경써야하는게 크게 2가지가 있는 것 같습니다.
1. 앱 run 시, 즉시 객체 인스턴스를 생성해 줄 것인가 (Eager initialization)
2. 객체의 호출 시, 객체 인스턴스를 생성해 줄 것인가 (Lazy initialization)

1) private 생성자에 static 메소드

가장 간단하고 보편적인 방법이지만, 수많은 스레드가 동시에 생성 체크(if) 문에 접근 시 객체 생성 체크를 통과하기 때문에, 멀티스레드 환경에서는 안전하지 않은 방법입니다.
객체를 호출할 떄 인스턴스를 생성하는 Lazy initialization 방식입니다.
instance 호출 시 만들어진 instance 가 있다면 반환해주고 없다면 생성합니다.

public class SettingsPrivateStatic {
    private static SettingsPrivateStatic instance;

    private SettingsPrivateStatic() {

    }

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

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.
1. 생성자를 private으로 만든 이유?
→ 외부에서의 객체 생성을 막고, 한 곳에서 instance 를 관리하기 위함입니다.

2. getInstance() 메소드를 static으로 선언한 이유?
→ 외부에서 글로벌하게 만들어진 객체에 접근하는 방법이 필요하기 때문입니다.

3. getInstance()가 멀티쓰레드 환경에서 안전하지 않은 이유?
→ 객체의 생성 전, 동시 다발적으로 생성체크 박스에 스레드가 접근하게 되면, 올바른 객체 생성 체크가 이루어지지 않을 수 있기 때문입니다.

2) 동기화 (Synchronized)를 사용해 멀티쓰레드 환경에서도 안전한 Singleton 만들기

간단하게 java 의 synchronized 를 사용하여 객체대한 접근에 lock 을 걸어 Thread Safe 하게 만드는 방법입니다.
다만, 아무래도 lock 을 사용해서 순차접근을 하는 것이기 때문에 성능저하가 일어날 수 있습니다.

public class SettingsSynchronized {

    private static SettingsSynchronized instance;

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

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.
1. 자바의 동기화 블럭 처리 방법은?
2. getInstance() 메소드 동기화시 사용하는 락(lock)은 인스턴스의 락인가 클래스의 락인가? 그 이유는?

3) 이른 초기화 (eager initialization)을 사용하는 방법

멀틱쓰레드환경에서 안전한 싱글톤의 2번째 방법 입니다.
아래 2가지 상황에서 유용한 방법입니다.
1. 객체를 생성하는 비용이 적을떄
2. 객체의 생성을 나중에(호출할 떄) 하지 않아도 될 때, 유용한 방법입니다.

📌 단점은 앱 구동시 미리 만든다는 것 입니다.

객체의 생성비용이 큰데, 사용하지 않게된다면 앱을 구동시킬 때 너무 많은 리소스 자원을 사용하기 때문입니다.

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

    private SettingsEagerInitialization() {}

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

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.
1. 이른 초기화가 단점이 될 수도 있는 이유?
2. 만약에 생성자에서 checked 예외를 던진다면 이 코드를 어떻게 변경해야 할까요?

4) double checked locking으로 효율적인 동기화 블럭 만들기

멀티 스레드환경에서 지연 초기화(Lazy Initialization)를 사용하고싶을 때, double checked locking 으로 효율적인 동기화 블럭을 만들 수 있습니다.
if에 걸친 후, 동기화를 진행하기 때문에 위의 방식보다는 성능이점이 존재하는 방법입니다.
volatile 이라는 키워드를 사용해야합니다.

public class SettingsDoubleCheckSynchronized {

    private static volatile SettingsDoubleCheckSynchronized instance;

    private SettingsDoubleCheckSynchronized() {}

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

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.
1. double check locking이라고 부르는 이유?
2. instacne 변수는 어떻게 정의해야 하는가? 그 이유는?

5) static inner 클래스를 사용하는 방법 ✨

백기선님이 권장하는 방법 중 1개라고 합니다.

멀티스레드 환경에서도 안전하고, 호출될 때 instance 가 만들어지는 Lazy initialization방식입니다.

public class SettingsStaticInner {
    private static SettingsStaticInner instance;

    private SettingsStaticInner() {}

    private static class SettingHolder{

        private static final SettingsStaticInner SETTINGS = new SettingsStaticInner();
    }

    public static SettingsStaticInner getInstance() {
        return SettingHolder.SETTINGS;
    }
}

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.
1. 이 방법은 static final를 썼는데도 왜 지연 초기화 (lazy initialization)라고 볼 수 있는가?

→ static 필드는 클래스가 처음 로딩될 때 정적인 메모리 공간에 만들어지는데, holder가 가지고 있는 클래스가 로딩되는 시점은 getInstance()를 호출할 때 로딩되기 때문에 lazy-initialization이라고 합니다

✔️ 싱글톤 패턴을 깨뜨리는 방법들

싱글톤으로 만들었음에도 불구하고 자바에서 제공하는 다양한 방법들을 이용해, 싱글톤을 깨드릴 수가 있습니다.

기본적으로 싱글톤은, 아래 그림처럼 호출할 떄 마다 같은 객체를 반환합니다.

1) 리플렉션

첫번째 방법은 리플렉션입니다.

자바에서 제공하는 리플렉션 API를 사용해서 내부 설정을 변경할 수 있습니다.
리플렉션으로 생성자를 가져와, 접근제어자에 대한 설정을 변경해 Singleton으로 구현한 객체를 새로운 인스턴스로 생성할 수 있는 방법입니다.

@Test
@DisplayName("리플렉션을 사용해서 Singleton 깨드리기")
void reflection() throws Exception{

    SettingsStaticInner setting = SettingsStaticInner.getInstance();

    Constructor<SettingsStaticInner> declaredConstructor = SettingsStaticInner.class.getDeclaredConstructor();
    declaredConstructor.setAccessible(true);

    SettingsStaticInner setting1 = declaredConstructor.newInstance();

    assertThat(setting).isEqualTo(setting1);
}

→ Class.getDeclaredConstructor( ) : 해당 Class 객체가 나타내는 클래스 또는 인터페이스의 지정된 생성자를 반영하는 Constructor 객체를 반환합니다.

→ Constructor.setAccessible(true) : 해당 객체에 대해 Java 언어 액세스 제어에 대한 검사를 억제해야함을 나타냅니다. 즉 접근제어를 무시함을 나타냅니다. (false) 일 경우 접근제어의 억제를 하지 않겠다는 의미를 가집니다.

→ Constructor.newInstance( ) : 이 Constructor 개체가 나타내는 생성자를 사용하여 지정된 초기화 매개 변수를 사용하여 생성자의 선언 클래스의 새 인스턴스를 만들고 초기화합니다.

이렇게 리플렉션을 이용하여, 해당 객체의 생성자를 불러오고 → 접근제어를 풀고 → 새로운 인스턴스를 생성하여 싱글톤 객체의 제어에서 벗어날 수 있습니다.

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.
1. 리플렉션에 대해 설명하세요.
→ 구체적인 클래스 타입을 알지 못해도, 클래스에 대한 메서드, 타입, 변수들을 접근할 수 있도록 해주는 Java API입니다.

2. setAccessible(true)를 사용하는 이유는?
→ 필드나 메서드의 접근제어 지시자에 대한 제어를 변경하기 위한 메소드입니다. 즉 private으로 제어한 접근 설정에 대해 접근 권한을 주는 행위입니다.

2) 직렬화 및 역직렬화의 사용

두번째 방법은, 객체를 직렬화시킨 후 다시 역직렬화 시켜서 새로운 객체를 만드는 방법입니다.

자바에서 외부 파일을 역직렬화 할 시에는, 반드시 생성자를 사용하여 새로운 인스턴스를 만들어 줍니다.
이러한 설정을 이용해서, Singleton 설정을 깨뜨릴 수 있습니다.

@Test
@DisplayName("직렬화 후 역직렬화로 singleton 깨뜨리기")
void serializerAndDeSerializer() throws IOException, ClassNotFoundException {
    SettingsStaticInner setting = SettingsStaticInner.getInstance();
    SettingsStaticInner setting1 = null;

    try (ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("settings.obj"))) {
        out.writeObject(setting);
    }

    try (ObjectInput input = new ObjectInputStream(new FileInputStream("settings.obj"))) {
        setting1 = (SettingsStaticInner) input.readObject();
    }

    assertThat(setting).isEqualTo(setting1);
}

👏🏻 이렇게 직렬화를 할 떄 직렬화할 객체에 Implements Serializable 을 선언해주지 않으면 아래 에러로그를 만나게 됩니다.

java.io.NotSerializableException: com.example.patterns._01_singleton.SettingsStaticInner

📌 대응방법

역직렬화 시 생성자 사용 문제대한 해결방안은, "readResolve( )" 메소드를 객체 안에 재정의 해 주는 것입니다.
ObjectInputStream 에 대한 공식문서를 살펴보면, "역직렬화된 개체는 다른 당사자에게 표시되는 개체를 반환하는 readResolve 메서드를 정의하거나 readUnshared가 스트림의 다른 곳에서 또는 외부 수단을 통해 얻을 수 있는 클래스 개체 또는 열거형 상수를 반환할 수 있습니다." 라고 나옵니다.
역직렬화 시 readObject보다 readResolve 메소드를 먼저 호출하게 되어있기 때문에 만들어 둔 instance를 반환하도록 해주면 된다고 합니다.

public class SettingsStaticInner implements Serializable {

    private static SettingsStaticInner instance;

    private SettingsStaticInner() {}

    private static class SettingHolder{

        private static final SettingsStaticInner SETTINGS = new SettingsStaticInner();
    }

    public static SettingsStaticInner getInstance() {
        return SettingHolder.SETTINGS;
    }

    private Object readResolve() {
        return SettingHolder.SETTINGS;
    }
}

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.

1. 자바의 직렬화 & 역직렬화에 대해 설명하세요.
→

2. SerializableId란 무엇이며 왜 쓰는가?
→

3. try-resource 블럭에 대해 설명하세요.
→

3) 리플렉션의 대응방법 - Enum Singleton

enum을 사용한다면 리플렉션에 대응할 수 있습니다.
내부 바이트코드를 보게되면 enum class는 리플렉션에 대해서도 막아놓았기 때문에 안전하다고 합니다.
다만 Enum은 앱 로딩시 메모리에 할당되기 때문에 지연 초기화는 할 수 없습니다.

public enum Settings {
 	INSTANCE;
}

👏🏻 다음을 직접 설명해 보세요.

1. enum 타입의 인스턴스를 리팩토링을 만들 수 있는가?
→

2. enum으로 싱글톤 타입을 구현할 때의 단점은?
→

3. 직렬화 & 역직렬화 시에 별도로 구현해야 하는 메소드가 있는가?
→

✔️ 싱글톤 (Singleton) 패턴 복습

• 자바에서 enum을 사용하지 않고 싱글톤 패턴을 구현하는 방법은?

• private 생성자와 static 메소드를 사용하는 방법의 단점은?

• enum을 사용해 싱글톤 패턴을 구현하는 방법의 장점과 단점은?

• static inner 클래스를 사용해 싱글톤 패턴을 구현하라.

✔️ 싱글톤 (Singleton) 패턴 실무에서는 어떻게 쓰이나?

• 스프링에서 빈의 스코프 중에 하나로 싱글톤 스코프.

• 자바 java.lang.Runtime

• 다른 디자인 패턴(빌더, 퍼사드, 추상 팩토리 등) 구현체의 일부로 쓰이기도 한다

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