디자인 패턴 정리 - Singleton Pattern

Singleton Pattern

• 여러 객체가 생성되면 상태 관리가 어렵다.
• 이를 해결하기 위해 객체 생성자를 중앙에서 관리하는 방법.
• 객체가 한개이므로 항상 일관된 상태이다.
• 멀티 쓰레드에서는 문제가 될 수 있다. (해결방법 존재)

싱글톤 패턴 구현 방법

• private 디폴트 생성자를 만든다.
• 싱글톤 인스턴스를 저장하는 정적 멤버 변수를 생성한다.
• 싱글톤 인스턴스를 반환하는 정적 팩토리 메소드를 구현한다.

ChocolateBoiler.java _ 코드

public class ChocolateBoiler {
    private static ChocolateBoiler instance = null;
    private boolean empty;
    private boolean boiled;

    private ChocolateBoiler() {
        empty = true;
        boiled = false;
    }

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

    public boolean isEmpty() {
        return empty;
    }

    public boolean isBoiled() {
        return boiled;
    }

    public void fill() {
        if (isEmpty()) {
            empty = false;
            boiled = false;
        }
    }

    public void drain() {
        if (!isEmpty() && isBoiled()) {
            empty = true;
            boiled = false;
        }
    }

    public void boil() {
        if (!isEmpty() && !isBoiled()) {
            boiled = true;
        }
    }
}

멀티 쓰레드 환경에서의 문제점

• 싱글톤 인스턴스를 만드는 메소드 : getInstance()는 Critical Section으로서 멀티 쓰레드가 해당 구역에 대해 race condition 이 발생하게 되면 의도치 않은 결과가 발생될 수 있다.

문제 코드 예시

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        HashSet<String> set = new HashSet<>();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int tmp = i;
            new Thread(() -> {
                ChocolateBoiler instance = ChocolateBoiler.getInstance();
                set.add(instance.toString());
                System.out.println(tmp + ": " + System.currentTimeMillis() + " , " + set.size());
            }).start();
        }
    }
}

• 실제로 객체가 여러개 생성되어 Set에 저장된 것을 확인할 수 있다.

해결방법 (1) - 동기화

• 쓰레드들이 해당 구역을 동시에 접근할 수 없도록, lock을 사용한다. -> Synchronize
• 문제점
  • 단, 이렇게 하면 해당 구역에 대해서는 순차적으로 수행되므로 비효율적일 수 있다.
  • 해당 Critical Section에 무거운 로직이 있다면 더욱 좋지 않다.

// getInstance() 메소드 동기화
public synchronized static ChocolateBoiler getInstance(){
        if(instance==null){
        instance=new ChocolateBoiler();
        }
        return instance;
        }

• 객체의 개수가 하나만 생성된 것을 확인할 수 있다.

해결방법 (2) - 미리 생성

• Synchronized를 사용하지 않고 싱글톤 인스턴스를 프로그램이 생성될 때 같이 생성되도록 한다.
• 미리 싱글톤 객체를 생성해 버리므로 null 체크 부분이 사라지게 되고 동기화의 필요성도 없어진다.
• 문제점
  • 단, 사용하지 않을 수도 있는 인스턴스를 프로그램 시작시 생성하므로 메모리 낭비가 일어날 수 있다.
  • 객체를 생성하는데 시간을 소요하므로 프로그램의 시작이 느려질 수 있다.

private static ChocolateBoiler instance = new ChocolateBoiler();

public static ChocolateBoiler getInstance() {
	return instance;
}

• 객체가 하나만 생성되는 것을 확인할 수 있다.

해결방법 (3) - DCL & volatile

• Double Checking Locking을 사용해서 동기화 되는 부분을 줄임으로서 동기화를 개선한 방법이다.
• 인스턴스가 생성되어 있는지 아닌지를 확인해서 생성되있지 않은 경우에만 동기화를 한다.
• 생성 여부를 확인하고 되어있지 않을 때만 Lock을 걸게되므로 속도를 개선할 수 있다.

private static volatile ChocolateBoiler instance = null;

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

• 객체가 하나만 생성되는 것을 확인할 수 있다.

Volatile이란?

멀티 프로세스 환경에서 멀티 쓰레드가 구동되면 각각의 프로세스에 쓰레드가 수행될 수 있다.
이때 각 프로세스에는 속도가 상대적으로 느린 메모리를 보충하기 위해 캐시메모리가 존재한다.

하지만 캐시메모리는 프로세스 간 값이 다를 수 있다는 단점이 존재한다.
또한 메모리에 저장된 값이랑 다를 가능성 또한 존재한다.

이를 보완하기 위해 CPU 캐시메모리에 저장하지 않고 메모리에서 값을 읽고 저장해 사용하도록 명시하는 것이 "volatile"이다.

결과

• 싱글톤 패턴을 이용하여 무분별한 객체 생성을 방지할 수 있다. 하지만 멀티 프로세스 & 멀티 쓰레드 환경에서 동기화 문제가 발생할 수 있어서 이에 대한 해결방법이 필요했다.

해결방법으로는 1. synchronized, 2. 선언과 동시에 생성, 3. DCL & volatile 이 있었다. 각 해결방법에는 장단점이 존재하므로 적절하게 상황에 맞게 사용하면 되겠다.