Singleton Design Pattern

Singleton Design Pattern 이란?

하나의 클래스에 하나의 객체만 생성 하도록 하며, 생성된 객체를 어디에서든지 참조할 수 있도록 하는 패턴
하나의 인스턴스만을 생성하는 책임이 있으며 getInstance 전역 메서드를 통해 모든 클라이언트에게 동일한 인스턴스를 반환하는 작업을 수행한다.

Singleton Pros and Cons

장점 :

고정된 메모리 영역을 얻으면서 한번의 new로 인스턴스를 사용하기 때문에 메모리 낭비를 방지할 수 있음
객체의 생성과 조합을 캡슐화해 특정 객체가 생성되거나 변경되어도 프로그램 구조에 영향을 크게 받지 않도록 유연성을 제공한다.
매번 특정 객체를 생성할 필요 없이 하나만 생성된 객체를 어디에서든지 참조할 수 있다. 실생활에 적용하자면 프린터 하나를 여러명이서 사용할 경우를 예로 들 수 있다. 안드로이드 앱 같은 경우 각 액티비티나 클래스별로 주요 클래스들을 일일이 전달하기가 번거롭기 때문에 싱글톤 클래스를 만들어 어디서나 접근하도록 설계하는 것이 편함

단점 :

싱글톤 인스턴스가 너무 많은 일을 하거나 많은 데이터를 공유시킬 경우 다른 클래스의 인스턴스들 간에 결합도가 높아져 개방-폐쇄 원칙 을 위배하게 된다. (객체 지향 설계 원칙에 어긋남) 따라서 수정이 어려워지고 테스트하기 어려워진다.
multithreading 환경에서 Singleton 패턴을 사용한 클래스에 접근할 때, instance 가 1개 이상 생성되는 경우가 발생 (경합 조건) -> Lazy initialization (늦은 초기화 방식)을 사용할 경우 문제가 발생

결론 : 꼭 필요한 경우아니면 지양해야함. (적절히 잘 쓰면 아주 좋음)

How to avoid race condition of Singleton in Multithreading

정적 변수에 인스턴스를 만들어 바로 초기화하는 방법 (Eager Initialization)

public class Printer {
   // static 변수에 외부에 제공할 자기 자신의 인스턴스를 만들어 초기화
   private static Printer printer = new Printer();
   private Printer() { }
   // 자기 자신의 인스턴스를 외부에 제공
   public static Printer getPrinter(){
     return printer;
   }
   public void print(String str) {
     System.out.println(str);
   }
}

static 변수 : 객체가 생성되기 전 클래스가 메모리에 로딩될 때 만들어져 초기화가 한 번만 실행된다. : 프로그램 시작~종료까지 없어지지 않고 메모리에 계속 상주하며 클래스에서 생성된 모든 객체에서 참조할 수 있다.

장점 : static으로 생성된 변수에 싱글톤 객체를 선언했기 때문에 클래스 로더에 의해 클래스가 로딩 될 때 싱글톤 객체가 생성됩니다. 또 클래스 로더에 의해 클래스가 최초 로딩 될 때 객체가 생성됨으로 Thread-safe합니다.

단점 : 싱글톤객체 사용유무와 관계없이 클래스가 로딩되는 시점에 항상 싱글톤 객체가 생성되고, 메모리를 잡고있기 때문에 비효율적일 수 있다.

인스턴스를 만드는 메서드에 동기화하는 방법 (Thread-Safe Initialization)

public class Printer {
   // 외부에 제공할 자기 자신의 인스턴스
   private static Printer printer = null;
   private int counter = 0;
   private Printer() { }
   // 인스턴스를 만드는 메서드 동기화 (임계 구역)
   public synchronized static Printer getPrinter(){
     if (printer == null) {
       printer = new Printer(); // Printer 인스턴스 생성
     }
     return printer;
   }
   public void print(String str) {
     // 오직 하나의 스레드만 접근을 허용함 (임계 구역)
     // 성능을 위해 필요한 부분만을 임계 구역으로 설정한다.
     synchronized(this) {
       counter++;
       System.out.println(str + counter);
     }
   }
}

인스턴스를 만드는 메서드를 임계 구역으로 변경

다중 스레드 환경에서 동시에 여러 스레드가 getPrinter 메서드를 소유하는 객체에 접근하는 것을 방지한다. 공유 변수에 접근하는 부분을 임계 구역으로 변경
여러 개의 스레드가 하나뿐인 counter 변수 값에 동시에 접근해 갱신하는 것을 방지한다. getInstance()에 Lock을 하는 방식이라 속도가 느리다.

결론 :

Initialization on demand holder idiom (holder에 의한 초기화)

이 방법은 클래스안에 클래스(Holder)를 두어 JVM의 Class Loader 매커니즘과 Class가 로드되는 시점을 이용한 방법입니다. Lazy initialization 방식을 가져가면서 Thread간 동기화문제를 동시에 해결할 수 있습니다.

중첩클래스 Holder는 getInstance 메서드가 호출되기 전에는 참조 되지 않으며, 최초로 getInstance() 메서드가 호출 될 때 클래스 로더에 의해 싱글톤 객체를 생성하여 리턴합니다. 우리가 알아둬야 할 것은 holder 안에 선언된 instance가 static이기 때문에 클래스 로딩 시점에 한번만 호출된다는 점을 이용한것이죠. 또 final을 써서 다시 값이 할당되지 않도록 합니다.

public class InitializationOnDemandHolderIdiom {
 
    private InitializationOnDemandHolderIdiom(){}
     
    private static class SingleTonHolder{
        private static final InitializationOnDemandHolderIdiom instance = new InitializationOnDemandHolderIdiom();
    }
     
    public static InitializationOnDemandHolderIdiom getInstance(){
        return SingleTonHolder.instance;
    }
}

Singleton Design Pattern