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[테코톡] Tecotalk - 싱글톤 패턴과 정적 클래스 / Singletone Pattern / DCL (Double Checked Locking) / volatile / Bill Pugh Solution

always-dev 2022. 7. 4.

프로그램 전역에서 사용 되는 유일한 클래스를 만드는 방법 두 가지가 있습니다.

싱글톤 패턴
정적 클래스

싱글톤 패턴이 무엇인지 알아보겠습니다!

싱글톤 패턴 이란 ?

먼저 디자인 패턴이라는 말을 보겠습니다.

디자인 패턴 ?

“바퀴를 재발명 하지마라”
소프트웨어 개발 과정에서 자주 쓰이는 설계의 노하우들을 정리한 방법들

그렇다면 디자인 패턴에 해당하는 싱글톤 패턴은 왜 생겨난 걸까요 ?

싱글톤 패턴의 목적 & 의의

객체의 인스턴스가 오로지 한개만 생성되도록 설계하는 것
언제 ?
- 로그 기록
- 캐싱
- 사용자 설정
왜 ?
- 유일성
- 글로벌

다음과 같은 상황에서 싱글톤 패턴을 적용해보겠습니다.

싱글톤 패턴 구현해보기

환경 설정을 바꿀 수 있는 인스턴스 settings1과 settings2로 배경색을 동시에 바꾸게 되면 오류가 발생하게 됩니다.

한 애플리케이션에 환경 설정이 2개가 있다는 얘기입니다.

문제 상황

애플리케이션 배경 설정
- Settings : 배경색을 담당하는 클래스
Settings가 애플리케이션 내부에서 유일하지 않다면 ?? ⇒ 에러 발생

아래와 같이 인스턴스가 다르다는 것을 알 수 있습니다.

public class App {
    public static void main(String[] args) {
        Settings settings1 = new Settings();
        Settings settings2 = new Settings();

        System.out.println(settings1);	
        System.out.println(settings2);		
        System.out.println(settings1 == settings2);			
    }
}

/**
 * 출력 내용
 * game.Settings@23jgjfsda
 * game.Settings@95mbjfiv9
 * false
 */

이러한 상황에서 Settings 클래스의 인스턴스를 생성할 때 하나의 공동의 객체를 가져오게 된다면

환경 설정이 2개가 생기는 오류는 발생하지 않을 것입니다 !

🙋‍♂️ 이제부터 싱글톤 패턴으로 하나의 인스턴스만 생성되도록 함으로써 오류를 없애겠습니다 !

1. 순수한 구현

인스턴스를 private static 변수
getInstance()에서 인스턴스 생성
외부 생성자를 막는다.

아래와 같이 Settings 클래스를 작성하면 됩니다.

public class Settings {
    private static Settings instance;

    private Settings() {
    }

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

이렇게 Settings가 싱글톤 패톤으로 구현 되었을 때

처음에 위 상황과 똑같이 Settings 클래스의 인스턴스를 2개 만들어서 작동시켜보겠습니다.

public class App {
    public static void main(String[] args) {
        Settings settings1 = Settings.getInstance();
        Settings settings2 = Settings.getInstance();

        System.out.println(settings1);	
        System.out.println(settings2);		
        System.out.println(settings1 == settings2);			
    }
}

/**
 * 출력 내용
 * game.Settings@23jgjfsda
 * game.Settings@23jgjfsda
 * true
 */

🙋‍♂️ 과연 이게 원하는 데로 작동이 될 거 같나요 ?? 아닙니다 !!!
위에서 나온 구현은 ‘쓰레드 세이프 하지 않습니다.”
즉, 각각 다른 인스턴스가 생길 가능성이 존재합니다.

이와 같이 A가 생성되지 직전에 B가 온다면 A, B 두 개의 인스턴스가 생성되고 맙니다.

저희는 이러한 상황도 막아주어야 합니다.

2. 동기화 (synchronized) - 쓰레드 세이프 하지 않은 싱글톤 패턴

1. synchronized 키워드 사용하기

인스턴스를 private static 변수
synchronized getInstance()에서 인스턴스 생성
외부 생성자를 막는다.

synchronized 키워드를 사용하여 동시성 문제를 해결할 수 있습니다.

바로 다음 코드와 같이 사용하면 됩니다.

public class Settings {
    private static Settings instance;

    private Settings() {
    }

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

1-1. 문제점 - synchronized 남발로 인한 리소스 낭비

이미 인스턴스가 만들어진 상태에서는 synchronized가 필요 없습니다.

하지만 현재 코드에서는 계속해서 getInstance() 메서드를 실행 할 때마다 Lock이 걸리게 되어 리소스 낭비가 발생하게 됩니다 !

3. 해결 - DCL (Double Checked Locking)

synchronized 시점 지연
private static volatile 인스턴스
외부 생성자를 막는다.

DCL (Double Checked Locking) 이라는 방법이 있습니다 !!

이제 getInstance() 메서드를 호출할 때 마다 인스턴스가 있을 때는 synchronized 블록이 스킵됩니다.

이렇게 즉시 인스턴스만 반환하게 되며 리소스 낭비를 없앨 수 있습니다.

public class Settings {
    private static volatile Settings instance;

    private Settings() {
    }

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

이 때 클래스 변수에 아까 정의 해놨던 인스턴스를 volatile이라는 키워드를 이용해야합니다.

3-1. volatile 이 뭐고 왜 사용하는데 ??

스레드를 이용하게 되면 각각의 스레드는 성능을 위해서 캐시 메모리 (cache memory)를 사용하게 됩니다.

스레드 동작

첫 번째 스레드가 캐시 메모리에서 메인 메모리의 순서로 값을 대입해주면
다음 스레드는 메인 메모리에 담긴 값을 캐시 메모리에 담아 들어오는 방식으로 동작

문제

첫 번째 스레드가 메인 메모리에 값을 대입하기 전에
다음 스레드가 메인 메모리에서 값을 읽으려 할 때 발생합니다.

해결

volatile이라는 키워드를 이용하게 되면
대입과 읽는 것 모두 메인 메모리에서 하도록 만듭니다.
때문에 시간차를 극복할 수 있습니다.

volatile 사용 시 주의점

volatile (JDK 1.5 이상)
JVM에 대한 이해
1. JVM에 따라서 thread-safe 하지 않는 경우가 발생할 수 있습니다.
2. 또한 자바가 어떻게 메모리를 관리하는지 이해하고 사용해야 합니다.

4. Bill Pugh Solution (Initialization on demand holder idiom)

🙋‍♂️ 싱글톤을 구현할 때 권장되어지는 방법 중의 하나입니다.

static inner class 인스턴스
생성자를 private

이 싱글톤은 Initialization on demand holder idiom 개념을 이용한 방법입니다.

구현 방법은 Holder역할을 하는 private static 클래스를 이용하는 것입니다
- 해당 클래스(SettingHolder)는 static 이므로 메서드가 실행될 때 JVM의 static initializer에 의해 초기화 되고 메모리로 올라가게 됩니다.
- 따라서 thread-safe와 lazy-loading을 둘 다 만족하는 싱글턴이 구현 가능합니다.
```
public class Settings {
	private Settings() {
	}

	private static class SettingsHolder {
		private static final Settings SETTINGS = new Settings();
	}

	public static Settings getInstance() {
		return SettingsHolder.SETTINGS;
	}
}
```
최초로 Class Loader에 의해서 로드될 때 내부로 synchronized가 실행됩니다.
때문에 명시적으로 synchronized를 이용하지 않고 동일한 효과를 낼 수 있습니다.

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
	throws ClassNotFoundException
{
	synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
		// First, check if the class has already been loaded
		Class<?> c = findLoadedClass(name);
		if (c == null) {

// ...

하지만 이 Bill Pugh Solution 방법에도 문제점이 있습니다.

4-1. 문제점

🙋‍♂️ 클라이언트가 임의로 싱글톤을 파괴할 수 있다는 것입니다. (리플렉션, 직렬화)

리플렉션
직렬화

그렇다면 대체 가능한 방법이 어떤 것이 있을까요 ??

바로 Enum이 있습니다.

5. Enum

Enum 자체가 싱글톤입니다.
애초에 생성자를 private으로 갖게 만듭니다.
상수만 갖는 클래스이기 때문에 싱글톤의 성질을 갖게 됩니다.

public enum Settings {
	INSTANCE;
}

이렇게 Enum으로 구현하게 되면 아까 Bill Pugh의 방법과는 다르게 리플렉션과 직렬화로 깨뜨릴 수 없게 됩니다.

하지만 그렇다고 해서 Enum이 장점만 있는 것은 아닙니다.

5-1. 문제점

Enum으로만 구현하게 됐을 때는 싱글톤에서 다시 멀티톤으로 변경하려고 할 때 코드를 다시 짜야합니다.

싱글톤을 해제할 때 번거로움
Enum외의 클래스 상속 불가

6. 최종 권장하는 싱글톤 패턴 구현 방법 정리

1. Bill Pugh

1-1. 권장하는 이유

Lazy Loading
thread-safe

이 방법으로 즉시 로딩해서 리소스 낭비될 일도 없고 thread-safe 하게 구현될 수 있습니다.

2. Enum

2-1. 권장하는 이유

thread-safe
간편하다.

싱글톤이 enum 외의 클래스를 상속하지 않는 환경이라면 enum으로 싱글톤 패턴을 쉽게 만들 수 있습니다.

7. 정적 클래스와의 차이

🙋‍♂️ 사실 자바에는 정적클래스가 따로 존재하지 않습니다.
편의상 정적메서드만을 갖고 있는 클래스를 정적클래스라 부르겠습니다.

static 메서드들은 클래스 초기화시에 메서드 영역(method area)에 등록되어 프로그램이 끝날 때 해제됩니다.

따라서 애플리케이션 내에서 싱글톤 패턴과 마찬가지로 전역적으로 사용할 수 있고

인스턴스를 따로 생성하지 않기 때문에 유일성을 보장받을 수 있습니다.

하지만 인스턴스를 생성할 수 없기 때문에 클래스 메서드를 이용합니다.

8. 싱글톤과 정적 클래스는 언제 사용할까 ?

8-1. 싱글톤 패턴

상속받아서 사용가능하다.
메서드 파라미터로 사용가능하다.

따라서

완벽한 객체지향을 필요로 할 때
- 애플리케이션 내에서 객체처럼 사용하고 싶을 때
레이지 로딩이 필요할 때
- 혹은 인스턴스 생성할 때 리소스가 많이 드는 경우 권장 되어집니다.

8-2. 정적 클래스

객체 생성을 하지 않는다.
- 정적 클래스는 객체처럼 사용할 수는 없지만 컴파일 시 정적 바인딩이 되기 때문에 보통 싱글톤보다 효율이 좋습니다.

따라서

유틸 메서드를 보관하는 용도로 사용할 때
- 객체 성질이 필요없을 때 사용하는 것 권장
다형성이나 상속이 필요없는 클래스

[10분 테코톡] 아서의 싱글턴 패턴과 정적 클래스

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