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[디자인 패턴] 싱글톤 패턴(Singleton pattern)

싱글톤 패턴이란?

애플리케이션이 시작될 때, 어떤 클래스가 최초 한 번만 메모리를 할당(static)하고 해당 메모리에 인스턴스를 만들어 사용하는 패턴

즉, 싱글톤 패턴은 '하나'의 인스턴스만 생성하여 사용하는 디자인 패턴이다.

인스턴스가 필요할 때, 똑같은 인스턴스를 만들지 않고 기존의 인스턴스를 활용하는 것!

생성자가 여러번 호출되도, 실제로 생성되는 객체는 하나이며 최초로 생성된 이후에 호출된 생성자는 이미 생성한 객체를 반환시키도록 만드는 것이다

(java에서는 생성자를 private으로 선언해 다른 곳에서 생성하지 못하도록 만들고, getInstance() 메소드를 통해 받아서 사용하도록 구현한다)

왜 쓰나요?

먼저, 객체를 생성할 때마다 메모리 영역을 할당받아야 한다. 하지만 한번의 new를 통해 객체를 생성한다면 메모리 낭비를 방지할 수 있다.

또한 싱글톤으로 구현한 인스턴스는 '전역'이므로, 다른 클래스의 인스턴스들이 데이터를 공유하는 것이 가능한 장점이 있다.

많이 사용하는 경우가 언제인가요?

주로 공통된 객체를 여러개 생성해서 사용해야하는 상황

데이터베이스에서 커넥션풀, 스레드풀, 캐시, 로그 기록 객체 등

안드로이드 앱 : 각 액티비티 들이나, 클래스마다 주요 클래스들을 하나하나 전달하는게 번거롭기 때문에 싱글톤 클래스를 만들어 어디서든 접근하도록 설계

또한 인스턴스가 절대적으로 한 개만 존재하는 것을 보증하고 싶을 때 사용함

단점도 있나요?

객체 지향 설계 원칙 중에 개방-폐쇄 원칙이란 것이 존재한다.

만약 싱글톤 인스턴스가 혼자 너무 많은 일을 하거나, 많은 데이터를 공유시키면 다른 클래스들 간의 결합도가 높아지게 되는데, 이때 개방-폐쇄 원칙이 위배된다.

결합도가 높아지게 되면, 유지보수가 힘들고 테스트도 원활하게 진행할 수 없는 문제점이 발생한다.

또한, 멀티 스레드 환경에서 동기화 처리를 하지 않았을 때, 인스턴스가 2개가 생성되는 문제도 발생할 수 있다.

따라서, 반드시 싱글톤이 필요한 상황이 아니면 지양하는 것이 좋다고 한다. (설계 자체에서 싱글톤 활용을 원활하게 할 자신이 있으면 괜찮음)

멀티스레드 환경에서 안전한 싱글톤 만드는 법

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1. Lazy Initialization (초기화 지연)

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

   private static으로 인스턴스 변수 만듬

   private으로 생성자를 만들어 외부에서의 생성을 막음

   synchronized 동기화를 활용해 스레드를 안전하게 만듬

   하지만, synchronized는 큰 성능저하를 발생시키므로 권장하지 않는 방법

   
   

2. Lazy Initialization + Double-checked Locking

   1번의 성능저하를 완화시키는 방법

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

   1번과는 달리, 먼저 조건문으로 인스턴스의 존재 여부를 확인한 다음 두번째 조건문에서 synchronized를 통해 동기화를 시켜 인스턴스를 생성하는 방법

   스레드를 안전하게 만들면서, 처음 생성 이후에는 synchronized를 실행하지 않기 때문에 성능저하 완화가 가능함

   하지만 완전히 완벽한 방법은 아님

   
   

3. Initialization on demand holder idiom (holder에 의한 초기화)

   클래스 안에 클래스(holder)를 두어 JVM의 클래스 로더 매커니즘과 클래스가 로드되는 시점을 이용한 방법

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

   2번처럼 동기화를 사용하지 않는 방법을 안하는 이유는, 개발자가 직접 동기화 문제에 대한 코드를 작성하면서 회피하려고 하면 프로그램 구조가 그만큼 복잡해지고 비용 문제가 발생할 수 있음. 또한 코드 자체가 정확하지 못할 때도 많음

   
   

   이 때문에, 3번과 같은 방식으로 JVM의 클래스 초기화 과정에서 보장되는 원자적 특성을 이용해 싱글톤의 초기화 문제에 대한 책임을 JVM에게 떠넘기는 걸 활용함

   
   

   클래스 안에 선언한 클래스인 holder에서 선언된 인스턴스는 static이기 때문에 클래스 로딩시점에서 한번만 호출된다. 또한 final을 사용해서 다시 값이 할당되지 않도록 만드는 방식을 사용한 것

   실제로 가장 많이 사용되는 일반적인 싱글톤 클래스 사용 방법이 3번이다.