[Java] 싱글톤 패턴(Singleton Pattern) 구현 방법

싱글톤 패턴은 생성(Creational) 패턴 중 하나로써 객체를 오직 하나만 생성하여 생성된 객체를 프로그램 어디에서나 접근하여 사용할 수 있도록 하는 패턴이다.

​간단히 말해서 애플리케이션 전체에서 단 하나의 객체만 생성하고 필요할 때마다 이 객체에 접근하여 사용하겠다는 의미이다.

​이번 글은 싱글톤 패턴을 구현하는 방법을 중점으로 정리할 것이기 때문에 싱글톤 패턴에 대해 좀 더 자세히 알고 싶다면 다음 글을 참고하길 바란다.

https://sorjfkrh5078.tistory.com/107

싱글톤 패턴(Singleton Pattern)

 

싱글톤 패턴을 구현하는 방법은 크게 6가지가 존재한다. 모든 것을 배제하고 단순하게 구현하는 방법부터 동기화 문제나 자원의 효율성 등을 고려하여 구현하는 방법까지 단계별로 존재한다.

​그렇다면 단계별로 싱글톤 패턴을 구현하는 방법에 대해서 알아보자.

​

1. Eager Initialization

​

첫 번째 방법은 Eager Initialization으로 싱글톤 패턴을 구현하는 가장 간단한 방법이다. static을 통해 해당 클래스를 Class Loader가 로딩할 때 객체를 생성해 준다.

class Singleton {
	//static을 통해 class가 로드될때 객체를 생성 
	private static Singleton singleton = new Singleton(); 
	
	private Singleton() {} //생성자에 접근 x
	
	public static Singleton getInstance() {
		return singleton;
	}
}

하지만 이 방법은 객체를 사용하지 않더라도 객체가 무조건 생성되기 때문에 자원 낭비가 될 수 있는 단점이 존재한다. 또한 Exception에 대한 처리를 하지 않는다.

 

2. Static Block Initialization

​

두 번째 방법은 Static Block Initialization으로 Eager Initialization 방법과 비슷하지만 Static Block을 사용하여 Exception 처리를 해주는 방법이다.

class Singleton {
	private static Singleton singleton; 
	
	private Singleton() {} //생성자에 접근 x
	
	//static block을 통해 클래스가 처음 로딩 될때 객체를 생성
	static {
		try {
			singleton = new Singleton();
		} catch (Exception e) {
			throw new RuntimeException("Exception occured in creating singleton instance");
		}
	}
	
	public static Singleton getInstance() {
		return singleton;
	}
}

 

Static Bolck은 초기화 블록(Initialization Block)이라고 불리며 클래스가 처음 로딩될 때 한 번만 수행되는 블록을 의미한다. 잘 사용하지는 않지만 클래스 변수의 복잡한 초기화에 사용된다. 비슷한 개념으로 Instance Block이 존재한다.

static  { //초기화할 내용 } //Static Block : 클래스가 로딩될때 한번만 수행
{ //초기화할 내용 } //Instance Block : 인스턴스가 생성될때마다 수행

하지만 이 방법도 클래스 로딩 단계에서 객체를 생성하기 때문에 자원의 비효율성을 해결할 수 없다.

​

3. Lazy Initialization

​

세 번째 방법은 static으로 선언된 getInstance() 메서드를 통해 객체를 생성해 주는 방법이다.

class Singleton {
	private static Singleton singleton; 
	
	private Singleton() {} //생성자에 접근 x
	
	//객체가 존재하지 않으면 생성해주고 존재하면 기존 객체를 반환
	public static Singleton getInstance() {
		if (singleton == null) singleton = new Singleton();
		return singleton;
	}
}

getInstance() 메서드를 호출하여 객체가 존재하지 않으면 새로운 객체를 하나 생성해 주고, 존재하면 기존 객체를 반환해 준다.

​이 방법은 1, 2단계의 문제점인 자원의 비효율성을 해결해 줄 수 있다. 하지만 다른 문제가 존재한다.

​

싱글톤 패턴은 한 객체를 여러 곳에서 접근할 수 있기 때문에 멀티 스레드 환경에서 동기화 문제가 발생할 수 있다. 만약 한 번에 여러 곳에서 getInstance() 메서드를 호출한다면 여러 개의 객체가 생성될 수 있기 때문이다.

​즉, 이 방법은 single-thread 환경에서는 괜찮은 방법이지만 multi-thread 환경에서는 동기화 문제가 발생할 수 있다.

 

4. Thread Safe Singleton

​

네 번째 방법은 세 번째 방법의 동기화 문제를 해결하기 위한 방법으로 Java에서 동기화를 해결하기 위한 키워드인 synchronized를 걸어주는 방법이다.

class Singleton {
	private static Singleton singleton; 
	
	private Singleton() {} //생성자에 접근 x
	
	//객체가 존재하지 않으면 생성해주고 존재하면 기존 객체를 반환
	public static synchronized Singleton getInstance() {
		if (singleton == null) singleton = new Singleton();
		return singleton;
	}
}

synchronized 키워드를 사용하면 어떤 한순간에는 하나의 스레드 만이 임계 영역(Critical Section) 안에서 실행하는 것이 보장된다.

​따라서 이 방법은 multi-thread 환경에서도 안전하게 동작하는 것을 보장해 준다.

​

하지만 이 방법도 문제가 존재한다. synchronized를 사용하는 비용은 저렴한 편은 아니다. 우리는 해당 객체를 안전하게 한 번 생성하기 위해 synchronized를 사용하는 것인데 이 방법은 해당 객체를 생성한 후 접근할 때에도 계속해서 synchronized를 호출하게 된다.

​즉, 싱글톤 객체를 자주 사용해야 한다면 synchronized가 자주 호출되면서 많은 비용이 발생하게 되고 이에 따른 성능 저하가 발생하게 된다.

​

Double Checked Locking 방식을 사용하면 이를 해결할 수 있다. 메서드에 synchronized를 붙이지 말고 메서드 내부에 synchronized를 사용하여 이름 그대로 두 번의 검사를 통해 싱글톤 객체를 생성 및 반환하는 방법이다.

class Singleton {
	private static Singleton singleton; 

	private Singleton() {} //생성자에 접근 x

	//객체가 존재하지 않으면 생성해주고 존재하면 기존 객체를 반환
	public static Singleton getInstance(){
	    if(singleton == null){
            //synchronized(인스턴스 변수 혹은 클래스 타입)
            //특정 영역만 동기화, 메서드 영역보다 범위가 작음
	        synchronized (Singleton.class) {
	            if(singleton == null) singleton = new Singleton();
	        }
	    }
	    return singleton;
	}
}

객체가 null 일 경우에만 synchronized가 실행되도록 하여 객체가 생성된 후에는 synchronized가 실행되지 않는다. 즉, 무분별한 synchronized 호출의 비용을 절약할 수 있다.

 

5. Bill Pugh Singleton Implementation

​

다섯 번째 방법은 Inner Static Helper Class를 사용하는 방식으로 현재 가장 널리 사용되고 있는 싱글톤 패턴 구현 방법이다.

class Singleton {

	private Singleton() {} //생성자에 접근 x

	private static class SingletonHelper {
		private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
	}
	
	public static Singleton getInstance(){
	    return SingletonHelper.SINGLETON;
	}
}

​SingletonHelper 클래스는 Inner Class로 선언되었기 때문에 Singleton 클래스가 Class Loader에 의해 로딩될 때 로딩되지 않다가 getInstance()가 호출될 때 JVM 메모리에 로드되고 객체를 생성하게 된다.

​또한 클래스가 로드될 때 객체가 생성되기 때문에 multi-thread 환경에서도 안전하게 사용이 가능하다.

​

지금까지의 문제점을 모두 해결해 줄 수 있으며 Double Checked Locking 방식보다 구현도 간단하기 때문에 굉장히 좋은 방법이다.

​하지만 이 방법도 Java의 Reflection을 사용하면 private 생성자, 메서드에 접근이 가능해지며 단 하나의 객체라는 조건을 깨뜨려버린다. (Reflection에 대해선 다음에 알아보도록 하자.)

​

다음의 코드는 Bill Pugh Singleton Implementation의 코드에 Reflection을 사용한 코드이다.

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

class Singleton {

	private Singleton() {} //생성자에 접근 x

	private static class SingletonHelper {
		private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
	}

	public static Singleton getInstance(){
		return SingletonHelper.SINGLETON;
	}
}

public class Main {

	public static void main(String args[]) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, SecurityException, InstantiationException, IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException{
		Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
		Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();

		System.out.println("singleton1 : " + singleton1);
		System.out.println("singleton2 : " + singleton2);

		//Breaking down singletons using reflection
		Class<?> speakerClass = Class.forName("Singleton");
		Constructor<?> constructor = speakerClass.getDeclaredConstructor();
		
		constructor.setAccessible(true); //어떤 접근 제한자든지 접근 가능
		Singleton singleton3 = (Singleton) constructor.newInstance();
		System.out.println("singleton3 : " + singleton3);
	}
}

실행 결과를 보면 싱글톤 객체임에도 불구하고 주소값이 다른 새로운 객체가 생성된 것을 확인할 수 있다.

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6. Enum Singleton

​

마지막 방법으로 Enum을 사용하여 싱글톤 패턴을 구현하는 방법이다.

enum EnumSingleton {
	INSTANCE;

	public static void doSomething(){
        //do something
    }
}

Enum Singleton 방법은 구현하기가 매우 간단하며 동기화, Reflection의 문제점도 해결해 줄 수 있다.

​

하지만 Eager Initialization, Static Block Initialization 방식처럼 Lazy Loading이 아니기 때문에 자원의 비효율성을 해결해 주지 못하는 단점도 존재한다.

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​

[ Reference ]

· https://readystory.tistory.com/116

· https://it-mesung.tistory.com/157?category=847780