Java Design Pattern Singleton

Java로 구현하는 Singleton Pattern을 정리한다.

1. Java Singleton Pattern

Singleton Pattern은 JVM에 하나의 Global Instance만을 할당하고 공유해서 이용하는 Pattern을 의미한다. Java에서 Singleton Pattern을 구현하기 위한 몇가지 방법이 존재한다.

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public class Singleton { 
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {} // Private constructor

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

[Code 1]은 고전 방식의 Singleton Pattern을 나타내고 있다. 생성자를 Private로 선언하였기 때문에 생성자 호출을 통해서 새로운 Instance를 생성할 수 없다. 오직 getInstance() 함수 호출을 통해서만 Instance를 얻을 수 있다. getInstance() 함수는 생성되어 있는 Instance가 존재하지 않을 경우에만 새로운 Instance를 할당 및 반환하고, 생성되어 있는 Instance가 존재하는 경우에는 기존에 생성되어 있는 Instance를 반환한다. 따라서 getIntance() 함수를 통해서 얻은 Instance는 모두 동일한 Instnace가 된다.

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public class Singleton { 
    private static Singleton instance; 

    private Singleton(){} 
    
    public static synchronized Singleton getInstance() { // synchronized
        if(instance == null) { 
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

[Code 1]의 getInstance() 함수는 Multi-thread 환경에서 다수의 Thread가 동시에 호출할 경우 Instance 할당 과정중에 Race Condition이 발생하여 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 가장 간단한 방법은 “synchronized"를 이용하여 getInstance() 함수가 동시에 호출되지 못하도록 막는 방법이 존재한다.

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public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

[Code 2]의 getInstance() 함수는 synchronized를 통해서 동시에 Instance를 할당하는 것을 방지할 수는 있지만, Instance를 할당한 이후에는 synchronized가 불필요하기 때문에 synchronized로 인한 성능 저하가 문제점이다. synchronized로 인한 성능 저하를 방지하는 가장 간단한 방법은 [Code 3]과 같이 Instance를 Static 변수에 할당하면 된다. Static 변수는 Class가 Loading 될때 한번만 초기화 되기 때문에 Race Condition이 발생하지 않는다.

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

[Code 3]의 경우에는 실제로 Instance를 이용하지 않더라도 무조건 Instance가 할당되는 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 [Code 4]는 Lazy Holder를 이용하여 Static 변수를 실제 Instance를 이용할때 할당하도록 만든다. [Code 4]에서 LazyHolder Class는 getInstance()를 처음 호출하는 시점에 Loading 된다. Class Loading은 다수의 Thread에서 동시에 수행되지 않기 때문에 Race Condition이 발생하지 않는다. Java를 통해서 Singleton을 구현할때는 [Code 4]와 같은 Lazy Holder를 이용하면 된다.

2. 참조

• https://javaplant.tistory.com/21
• https://elfinlas.github.io/2019/09/23/java-singleton/