[Design Pattern] 싱글톤 패턴(Singleton Pattern)

싱글톤 패턴 (Singleton Pattern) 은 인스턴스가 하나 뿐인 객체를 만들 수 있게 해주는 패턴이다.
생성된 이후에는 객체를 새로 생성하지 않고 처음에 생성된 객체를 다시 재활용하게 된다.
GoF(Gang of Four) Design Pattern 에서 생성(creational) 패턴에 속한다.

싱글톤 패턴(Singleton Pattern)은 공통된 객체를 여러개 생성해야하는 경우에 많이 사용된다.
대표적인 예로는 스레드 풀, 캐시, 사용자 설정, 로그 기록 객체, 커넥션 풀 등이 있다.

동일한 행동을 하는 객체를 여러개 생성한다면 불필요한 메모리를 차지하거나 일관성에 문제가 생길 수 있다.
싱글톤으로 생성한 인스턴스는 전역에서 공유하여 사용할 수 있으므로 이와 같은 문제들을 방지할 수 있다.

싱글톤 패턴 장점

생성한 인스턴스를 공유하기 때문 메모리 낭비 방지
전역에서 사용되기 때문에 쉬운 데이터 공유
하나의 인스턴스만을 이용하기 때문에 일관성 유지 가능
유틸리티 클래스에 비해 내부에 캡슐화된 객체를 mock, fake 등으로 대체하여 테스트 가능

싱글톤 패턴 단점

싱글톤 패턴에는 다음과 같은 단점들이 존재하기 때문에 반드시 필요한 상황이 아니라면 지양하도록 한다.

사용되지 않는다면 메모리만 차지하게 될 수 있음
많은 역할을 담당하게 되면 결합도가 높아져 OCP(open close principle) 위반이 쉬움
- 유틸리티 클래스와 비슷하여 안티 패턴 엘레강트 오브젝트 Chapter3. 취업
멀티 스레드 환경에서 2개의 인스턴스가 생기지 않도록 동기화 처리 필요

구현

Eager Initialization

class SingletonEager {

    private static final SingletonEager INSTANCE = new SingletonEager();

    private SingletonEager() {
    }

    public static SingletonEager instance() {
        return INSTANCE;
    }

    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }
} 

Class Loader 가 클래스를 로딩할 때 객체를 생성
인스턴스가 생성되기 전에는 스레드는 INSTANCE 에 접근할 수 없으므로 멀티 스레드 환경에서도 안전
사용하지 않아도 인스턴스를 생성하기 때문에 메모리 차지
Exception Handling 불가

Static Block Initialization

class SingletonStaticBlock {

    private static final SingletonStaticBlock INSTANCE;

    static {
        try {
            INSTANCE = new SingletonStaticBlock();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private SingletonStaticBlock() {
    }

    public static SingletonStaticBlock instance() {
        return INSTANCE;
    }

    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }
}

대부분의 특징은 Eager Initialization 와 동일하나 Exception Handling 가능

Lazy Initialization

public class SingletonLazy {

    private static SingletonLazy instance;

    private SingletonLazy() {
    }

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

    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }
}

클래스 로딩이 아닌 메소드가 호출되는 시점에 객체를 생성하기 때문에 메모리 낭비를 방지
멀티 스레드 환경에서는 여러 개의 객체가 생성될 수 있음

Thread Safe Singleton

public class SingletonThreadSafe {

    private volatile static SingletonThreadSafe instance;

    private SingletonThreadSafe() {
    }

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

    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }
}

Double Checked Locking (DCL) 를 이용하여 Lazy Initialization 의 동시성 문제 개선
synchronized 키워드를 사용하여 성능 저하가 발생될 수 있음
마찬가지로 멀티 코어 환경 및 코드 재배치로 인해 객체를 두번 만들게 될 수 있으므로 권장되는 방식은 아님

Bill Pugh Singleton Implementation

public class SingletonBillPugh {

    private SingletonBillPugh() {
    }

    public static SingletonBillPugh instance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }

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

Bill Pugh 가 제시한 내부 정적 클래스를 이용하여 싱글톤 생성 방식
SingletonHolder 클래스가 로드되는 시점(instance() 호출 시점)에 인스턴스 생성
SingletonHolder 클래스가 로드되는 시점에 객체를 생성하기 때문에 thread safe

Enum Singleton

public enum SingletonEnum {

    INSTANCE;
    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }
}

이펙티브 자바 아이템 89 에서 제시한 방법
구현이 간단하며 thread safe
Reflection 및 직렬화에 대해 인스턴스 수 보장 가능

전체 코드는 깃허브 레포지토리 참고

출처

Head First Design Patterns
https://readystory.tistory.com/116
https://velog.io/@dailyzett/singleton