singleton pattern

생성 패턴

• 디자인 패턴 분류인 생성, 구조, 행위 중 객체 생성에 관련 된 생성 패턴으로 간주됩니다.
• 생성 패턴은 객체의 생성과 조합을 캡슐화해 특정 객체가 생성되거나 변경되어도 프로그램 구조에 영향을 크게 받지 않도록 유연성을 제공합니다.

단 하나의 인스턴스를 생성해 사용하는 디자인 패턴(유일한 객체를 생성하는 방법)

• 애플리케이션이 시작될 때 어떤 클래스가 최초 한번만 메모리를 할당하고(static) 그 메모리에 인스턴스를 만들어 사용하는 디자인패턴입니다.
  • 전역 변수를 사용하지 않고 객체를 하나만 생성 하도록 하며, 생성된 객체를 어디에서든지 참조할 수 있습니다.
  • 생성자가 여러 차례 호출되더라도 실제로 생성되는 객체는 하나고 최초 생성 이후에 호출된 생성자는 최초에 생성한 객체를 반환합니다.
• 유일한 인스턴스가 서브클래싱으로 확장되어야 하며, 사용자는 코드의 수정없이 확장된 서브클래스의 인스턴스를 사용할 수 있어야 할 때 사용합니다.
• 클래스에서 자신의 단 하나뿐인 인스턴스를 관리하도록 만들면 만듭니다. 그리고 다른 어떤 클래스에서도 자신의 인스턴스를 추가로 만들지 못하도록 해야 합니다. 인스턴스가 필요하면 반드시 클래스 자신을 거치도록 해야 합니다.

장점

• 고정된 메모리 영역을 얻으면서 한번의 new로 인스턴스를 사용하기 때문에 메모리 낭비를 방지 할 수 있습니다.
  • 두 번째 이용시부터는 객체 로딩 시간이 현저하게 줄어 성능이 좋아지는 장점이 있습니다.
• 싱글톤으로 만들어진 클래스의 인스턴스는 전역 인스턴스이기 때문에 다른 클래스의 인스턴스들이 데이터를 공유하기 쉽습니다.
• 인스턴스가 절대적으로 한개만 존재하는 것을 보증하기에 개발 시 실수를 줄일 수 있습니다.
• 싱글톤 객체를 사용하지 않는 경우 인스턴스를 생성하지 않을 수 있습니다.
• 싱글톤을 상속시킬 수 있습니다.

전역 변수의 단점

• 전역 변수에 객체를 대입하면 애플리케이션이 시작될 때 객체가 생성될 것입니다. 그런데 그 객체가 자원을 많이 차지하고 애플리케이션이 끝날 때까지 그 객체를 한 번도 쓰지 않는다면 괜히 자원만 잡아먹는, 아무 데도 쓸 데 없는 객체가 되고 맙니다. 싱글턴 패턴을 쓰면 필요할 때만 객체를 만들 수가 있습니다.
  • 사실 플랫폼에 따라 달라질 수 있습니다. 어떤 JVM에서는 나중에 필요할 때 생성하기도 합니다.

단점

• 싱글톤의 역할이 커질수록 결합도가 높아져 객체 지향 설계 원칙에 어긋날 수 있다.
  • 싱글톤 객체가 변경되면 이를 참조하고 있는 모든 값들이 변경됩니다.
  • 수정이 어려워지고 테스트하기 어려워집니다. 싱글톤 인스턴스가 너무 많은 일을 하거나 많은 데이터를 공유시킬 경우 다른 클래스의 인스턴스들 간에 결합도가 높아져 개방-폐쇄 원칙 을 위배하게 됩니다.
• 멀티쓰레드환경에서 동기화 처리를 하지 않으면 인스턴스가 두개가 생성되는 문제가 발생할 수 있습니다.
  • 경합 조건 문제가 발생 할 수 있습니다. 경합 조건이란 메모리와 같은 동일한 자원을 2개 이상의 스레드가 이용하려고 경합하는 현상입니다.
  • 다중 스레드 애플리케이션에서 발생하는 문제를 해결하는 방법은 정적 변수에 인스턴스를 만들어 바로 초기화하는 방법 (Eager Initialization)과 인스턴스를 만드는 메서드에 동기화하는 방법 (Thread-Safe Initialization)이 있습니다.
• 전역변수보다 사용하기가 불편합니다.
• 객체의 파괴 시점을 컨트롤하기 어려울 수 있습니다.

활용처

• 인스턴스가 오직 1개만 생성되야 하는 경우 사용합니다.
• DBCP(DataBase Connection Pool)처럼 공통된 객체를 여러개 생성해서 사용해야하는 상황에서 많이 사용합니다.
  • 쓰레드풀, 캐시, 대화상자, 사용자 설정, 레지스트리 설정, 로그 기록 객체 등
• 안드로이드 앱 같은 경우 각 액티비티나 클래스별로 주요 클래스들을 일일이 전달하기가 번거롭기 때문에 싱글톤 클래스를 만들어 어디서나 접근하도록 설계하는 것이 편합니다.
• 인스턴스가 절대적으로 한개만 존재하는 것을 보증하고 싶을 경우 사용합니다.
• 레지스트리 같은 설정 파일의 경우 객체가 여러개 생성되면 설정 값이 변경될 위험이 생길 수 있기 때문에 사용하면 좋습니다.

주의할 점

• 책임의 불균형이 심화되고 있는 상태에서 객체의 생성 책임을 지우는 것은 설계를 하부의 특정한 메커니즘에 종속적으로 만들 확률이 높습니다. 불필요한 SINGLETON 패턴을 객체 생성에 관해 너무 이른 시기에 고민하고 결정할 때 도입되는 경향이 있습니다. 핵심은객체를 생성하는 방법에 대한 결정은 모든 책임이 자리를 잡은 후 가장 마지막 시점에 내리는 것이 적절하다는 것입니다.

정적 메서드로만 이루어진 정적 클래스를 사용하면 싱글턴과 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.

• 정적 클래스를 이용하면 객체를 전혀 생성하지 않고 메서드를 사용합니다.
• 정적 메서드를 사용하므로 일반적으로 실행할 때 바인딩되는(컴파일 타임에 바인딩되는) 인스턴스 메서드를 사용하는 것보다 성능 면에서 우수합니다.

정적 클래스를 사용할 수 없는 경우

• 인터페이스를 구현해야 하는 경우, 정적 메서드는 인터페이스에서 사용할 수 없습니다.
• 인터페이스를 사용하는 주된 이유는 대체 구현이 필요한 경우입니다.
  • Mock 객체를 사용해 단위 테스트를 수행하는 경우입니다.

예제

• 싱글턴 패턴의 공통적인 특징은 private constructor를 가진다는 것과, static method를 사용한다는 점입니다.
  • private 생성자
  • static 변수로 객체 생성
  • 객체의 getter 구현

class Printer {
  // 외부에 제공할 자기 자신의 인스턴스
  private static printer: Printer = null;
  private constructor() {
    console.log('Printer constructor');
  }
  // 자기 자신의 인스턴스를 외부에 제공
  public static getPrinter(): Printer {
    if (this.printer == null) {
      // Printer 인스턴스 생성
      this.printer = new Printer();
    }
    return this.printer;
  }
  public print(str: string) {
    console.log(str);
  }
}

class User {
  private name: string;
  public constructor(name: string) {
    this.name = name;
  }
  public print() {
    const printer = Printer.getPrinter();
    printer.print(this.name + ' print using ');
  }
}
const USER_NUM = 5;
const user = [];
for (let i = 0; i < USER_NUM; i++) {
  // User 인스턴스 생성
  user[i] = new User((i + 1).toString());
  user[i].print();
}

Eager Initialization(이른 초기화, Thread-safe)

• 이른 초기화 방식은 클래스 로더에 의해 클래스가 최초로 로딩 될 때 객체가 생성되기때문에 Thread-safe 합니다.

class Printer {
  // static 변수에 외부에 제공할 자기 자신의 인스턴스를 만들어 초기화
  private static printer: Printer = new Printer();
  private constructor() {
    console.log('constructor');
  }
  // 자기 자신의 인스턴스를 외부에 제공
  public static getPrinter(): Printer {
    return this.printer;
  }
  public print(str: string) {
    console.log(str);
  }
}

언어별 구현

• 파이썬의 모듈은 그 자체로 싱글턴입니다.
• 자바는 생성자를 private으로 선언하여 상속이 불가능함을 지정하기도 합니다.

다른 패턴과의 관계

• Factory pattern : Factory class를 Singleton으로 구현해도 되고, 서브클래스를 리턴하는 static 메소드로 구현해도 됩니다.
• Flyweight pattern : FlyweightFactory를 Singleton으로 구현하는 경우가 있습니다.
• 추상 팩토리 패턴, 빌더 패턴, 프로토타입 패턴은 각 구현에 있어서 싱글턴 패턴을 활용할 수 있습니다.
• 멀티턴 패턴이라는 static 변수가 배열로서 구성된 싱클턴의 확장 패턴도 존재합니다. flyweight pattern과의 차이점은 생성자가 private라는 차이점이 있습니다.

베이지, 다이나믹, 피닉스, 템플릿 싱글톤 등이 있다고 합니다.

• https://vallista.tistory.com/entry/1-Singleton-Pattern-in-C

피닉스 싱글턴(phoenix singleton)이란 무엇인가?

• 피닉스 싱글톤은 싱글톤 참조시 해당 객체의 소멸여부를 판단하고 소멸되었다면 다시 되살리게 됩니다.
• 마이어스 싱글턴(singleton)의 한계를 극복하는 싱글턴입니다.
• C++에서 사용됩니다.

어떻게 피닉스 싱글턴(phoenix singleton)을 구현하는가?

• 마이어스 싱글턴을 기반하기 때문에, static 지역 변수를 기반으로 구현된 싱글턴입니다. 이 static 지역 변수의 특징은 여러개 있지만, 그 중 메모리 해제 시점 관점에서 본다면, 다음과 같다.
  • 메모리의 생성은 프로그램이 해당 지역변수를 구동 코드를 읽을 때 합니다. 프로그램 종료시점에 메모리 파괴가 일어 난다 해도, 그 공간은 빈 공간으로 남아 있습니다. (즉, 다른것으로 채워지지 않는다) 이러한 특징 때문에, 프로그램 종료 시점에 그 메모리 공간에 다시 쓰기 위해 위치지정(또는 재배치)를 사용하며, 파괴 시점을 제어합니다.

수명제어 싱글톤

참고

• [Design Pattern] 싱글턴 패턴이란
• 기본기를 쌓는 정아마추어 코딩블로그
• 싱글턴 패턴
• [Design Pattern] 싱글톤 패턴(Singleton Pattern)에 대하여