Head First - Design Patterns
(에릭 프리먼, 엘리자베스 프리먼, 케이시 시에라, 버트 베이츠 저 | 서환수 역)
을 읽고 정리한 내용입니다.

싱글턴 패턴(Singleton Pattern)

• 싱글턴 패턴은 요즘 거의 안티패턴으로 여겨지고 있는 패턴임을 염두에 두고 공부해보자.
• 안티패턴으로 여겨지는 이유 중 하나는 생성자가 private으로 선언되어 있어
  서브 클래스를 만들 수 없다는 점이다.
  
  

싱글턴 패턴의 정의

• 특정 클래스에 대해서 객체 인스턴스가 하나만 만들어질 수 있도록 해주는 패턴
• 어디서든지 그 인스턴스에 접근할 수 있도록 하기 위한 패턴
  
  

싱글턴 패턴을 적용하는 방법

• 클래스에서 자신의 단 하나뿐인 인스턴스를 관리하도록 만든다.
• 다른 어떤 클래스에서도 자신의 인스턴스를 추가로 만들지 못하도록 구현한다.
• 다른 객체에서 해당 인스턴스가 필요하면 언제든지 클래스한테 요청을 할 수 있고,
  요청이 들어오면 그 하나뿐인 인스턴스를 건네주도록 만든다.

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고전적인 싱글턴 패턴 구현법

public class Singleton {
  // 싱글턴의 유일한 인스턴스가 저장되는 정적변수
    private static Singleton uniqueInstance;
    // 생성자를 private으로 선언함으로써, Singleton에서만 클래스의 인스턴스 생성 가능
    private Singleton(){}
    /*
      getInstance()
      : 클래스의 인스턴스를 만들어서 리턴해주는 메서드
      getInstance()를 사용하면 언제 어디서든 이 메서드 호출 가능
      -> 전역 변수에 접근하는 것만큼이나 쉽다.
      게으른 인스턴스 생성을 활용할 수 있다.
    */
    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

• 일반적으로 Singleton 객체를 얻는 static 메서드명은 getInstance()로 이름 붙인다.
• 여기에서 getInstance()는 일반 메서드명이므로,
  반드시 이 메서드명으로 만들어야 하는 것은 아니다.
• getInstance()이 아닌 get()이나 다른 메서드명으로 만들어도 된다.
  
  

게으른 인스턴스 생성(lazy instantiation)

• 위의 코드에서 getInstance() 메서드 부분을 좀 더 자세히 살펴보자.

public static Singleton getInstance() {
    // uniqueInstance가 null이라면,
    // 아직 인스턴스가 생성되지 않았다는 것을 의미한다.
    if (uniqueInstance == null) {
      uniqueInstance = new Singleton();
      /*
       인스턴스 생성 전이라면,
       private으로 선언된 생성자를 이용해서 Singleton 객체를 만든다.
       uniqueInstance에 그 생성된 객체를 대입한다.
       이렇게 할 경우, 인스턴스가 필요하기 전까지는 아예 인스턴스를 생성하지 않는다.
       이 방법을 게으른 인스턴스 생성이라고 한다.
      */
    }
    // uniqueInstance가 null이 아니라면,
    // 인스턴스가 존재하고 있다는 의미 -> 그 인스턴스를 리턴하고 끝난다.
    return uniqueInstance;
}

• 싱글턴이 게으르게 생성되도록 구현할 수도 있는데,
  여기에서 게으르게(lazy)라는 표현은 필요할 때 만든다는 것을 의미한다.

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멀티 스레드 환경에서의 문제점

• 두 개 이상의 스레드에서 위의 Singleton.getInstance() 메소드를 실행시킨다고 가정해보자.
• 두 개 이상의 스레드가 getInstance() 메서드에 진입하여 제어권이 번갈아가며
  넘어가는 과정에서 서로 다른 두 개의 객체가 만들어지는 상황이 발생할 수 있다.
  
  

멀티스레딩 문제 해결 방법

1. getInstance()를 동기화 시키기

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton(){}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 동기화가 필요한 시점
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        // 이미 객체가 만들어진 후에는 동기화가 필요 없다.
        return uniqueInstance;
    }
}

• 간단하게 getInstance() 메서드에 synchronized 키워드를 추가한다.
• 한 스레드가 메서드 사용을 끝내기 전까지 다른 스레드는 기다려야 하므로
  두 개 이상의 스레드가 동시에 실행되는 일을 방지할 수 있다.
  
  

동기화가 아깝다.

• 속도 저하가 일어날 수 있고, 동기화가 아깝다는 느낌이 들 수 있다.
• 여기에서 동기화가 아깝다는 의미는 동기화가 필요한 시점은 오직 인스턴스가 생성되기 전을 말한다.
• 인스턴스가 이미 만들어진 후에는 동기화가 더 이상 필요 없다.

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2. 인스턴스를 필요할 때 생성하지 않고, 처음부터 만들기

public class Singleton {
  // 정적 초기화 부분에서 singleton의 인스턴스를 생성한다.
  private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

  private Singleton() {}

  public static Singleton getInstance () {
    // 이미 인스턴스가 있으므로 리턴만 하면 된다.
    return uniqueInstance;
  }
}

• getInstance()가 호출되는지와 관련 없이 클래스가 로딩될 때,
  무조건 Singleton 인스턴스가 생성된다.
• 싱글톤 객체가 있든 없든 관계없이 클래스 로딩 시점에 무조건 생성되기 때문에
  메모리를 항상 차지하고 있어서 비효율적이다.

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3. DCL(Double-checking Locking)을 써서
getInstance()에서 동기화되는 부분을 줄이기

public class Singleton {
  private volatile static Singleton uniqueInstance;

  private Singleton () {}

  public static Singleton getInstance () {
     // 동기화하지 않은 상태에서 null 체크
    if (uniqueInstance == null) {
     // 인스턴스가 없을 경우에만 동기화된 블럭으로 진입
      synchronized (Singleton.class) {
        // 다시 한 번 변수가 null인지 체크 후 인스턴스를 생성
        if (uniqueInstance == null) {
          uniqueInstance == new Singleton ();
        }
      }
    }
    return uniqueInstance;
  }
}

• volatile 키워드를 사용하여 인스턴스가 생성되어 있는지 확인한 후,
  생성되어 있지 않을 때만 동기화할 수 있다.
• 자바 1.4 이전 버전에서는 사용할 수 없다.
• 현재는 broken idom이며 권고하지 않는 방법이다.

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4. Initialization on demand holder idiom(Lazy Initialization)

/*
 Singleton 클래스가 로딩될 때, LazyHolder 클래스의 변수인 uniqueInstance가
없기 때문에 LazyHolder 클래스는 초기화하지 않는다.
*/
public class Singleton {
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.uniqueInstance;
    }
    /*
    LazyHolder 클래스는 LazyHolder.uniqueInstance를 참조하는 순간 클래스가 로딩
    되고 초기화가 진행된다.
    클래스를 로딩하고 초기화하는 시점은 thread-safe를 보장하기 때문에
    volatile이나 synchrozied같은 키워드 없이도 성능을 보장할 수 있다.
    */
    private static class LazyHolder {
      private static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    }

}

• holder를 이용한 초기화 방법으로 현재 가장 많이 사용하는 방법이다.
• getInstance() 메서드가 처음으로 호출 될 때,
  클래스 로더에 의해 Singleton 객체를 생성하여 리턴한다.
• LazyHolder 안에 인스턴스가 static이기 때문에 클래스 로딩 시점에 한 번만 호출된다.
• final을 붙여서 값이 다시 할당되지 않도록 막는다.

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5. Enum을 이용하기

public enum Singleton {
    uniqueInstance;
    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

• 자바 1.5버전부터 지원하는 Enum을 이용하는 방법
• 모든 enum 타입은 프로그램 내에서 한 번만 초기화된다는 점을 이용해 싱글톤을 구현한다.

Enum 사용의 장점

• 직렬화를 보장한다.
• 리플렉션을 통해서 싱글톤을 깨뜨리는 공격에 안전하다.

Enum 사용의 단점

• 싱글톤을 초기화 과정에서 다른 의존성이 끼어들 수 있는 가능성이 있다.
• Enum의 초기화는 컴파일 타임에 결정되므로
  매번 메서드를 호출할 때 Context 정보를 넘겨야 하는 비효율적인 상황이 발생할 수 있다.
  
  

직렬화, 역직렬화

• 직렬화: 자바 시스템 내부에서 사용되는 객체 또는 데이터를
  외부의 자바 시스템에서도 사용할 수 있도록 바이트(byte) 형태로 데이터 변환하는 기술
• 역직렬화: 바이트로 변환된 데이터를 다시 객체로 변환하는 기술

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결론

• 성능이 중요하다면, LazyHolder 기법을 이용해본다.
• 직렬화나 안정성이 중요하다면 Enum을 이용해본다.

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Executor를 이용한 스레드 실행 제어

현업에서는 최대 스레드의 개수를 조절하기 위해
Executors.newFixedThreadPool(n)와 Executors.newSingleThreadExecutor()를 사용한다.

• 고정 크기: Executors.newFixedThreadPool(n)
  • n개의 고정된 개수를 가진 쓰레드풀
  • 사용자가 정의한 개수의 작업자 스레드를 유지
    
    

• 동적 크기: Executors.new CachedThreadPool()

  • 처리할 태스크가 있을 때 새로운 스레드를 만든다.
  • 60초 동안 작업이 없으면 Pool에서 제거한다.
    
    

• 싱글스레드 생성자: Executors.newSingleThreadExecutor()

  • 태스크 처리를 위해서 하나의 작업자 스레드를 가진다.
    
    

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더 공부해볼 것

• [생활코딩]상수와 enum
• Executor

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참고 사이트

• wikipedia- Initialization-on-demand holder idiom
• 디자인패턴 - 싱글턴 패턴 (singleton pattern) [정리정리정리]
• Multi Thread 환경에서의 올바른 Singleton
• 멀티스레드 환경에서의 싱글톤 패턴
• [Java] Singleton 생성 방법 정리[jobjava00]
• 자바 직렬화, 그것이 알고싶다. 훑어보기편
• [용용의 안드로이드 교실]