[Spring] 싱글톤 패턴 (Singleton Pattern), 싱글톤 컨테이너

싱글톤 패턴이란?

[그림 1] 스프링 없는 순수한 DI 컨테이너

만약 스프링이 없는 순수한 DI 컨테이너 Appconfig에 고객들이 요청을 보낸다고 하자. DI 컨테이너는 요청을 받을 때마다 객체를 새로 생성할 것이다. 따라서 고객 트래픽이 초당 100건이 나오면 초당 100개의 객체가 생성되고 소멸된다. 이는 메모리 낭비가 매우 심하다.

 

해결 방안으로는 객체를 딱 1개만 생성하고 이를 공유하도록 설계하면 된다. 이것이 바로 싱글톤 패턴이다.

 

즉, 싱글톤 패턴이란 클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴이다. 따라서 객체 인스턴스를 2개 이상 생성하지 못하도록 막아야 한다. 

public class SingletonService {

	//1. static 영역에 객체를 딱 1개만 생성해둔다.
	private static final SingletonService instance = new SingletonService();
	
    //2. public으로 열어서 객체 인스턴스가 필요하면 이 static 메서드를 통해서만 조회하도록 허용한다.
	public static SingletonService getInstance() {
		return instance;
	}
    
	//3. 생성자를 private으로 선언해서 외부에서 new 키워드를 사용한 객체 생성을 못하게 막는다.
	private SingletonService() {
	}
    
	public void logic() {
		System.out.println("싱글톤 객체 로직 호출");
	}
}

1. static 영역에 객체 instance를 미리 하나 생성해서 올려둔다.
2. 이 객체 인스턴스가 필요하면 오직 getInstance()메서드를 통해서만 조회할 수 있다.
3. 딱 1개의 객체 인스턴스만 존재해야하므로, 생성자를 private으로 막아서 혹시라도 외부에서 new 키워드로 객체 인스턴스가 생성되는 것을 막는다.

위와 같은 방식으로 싱글톤 패턴을 적용할 수 있다. 하지만 이러한 방식의 싱글톤 패턴은 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.

 

1. 싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어간다.

2. 의존관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존한다. -> DIP를 위반한다.

3. 테스트하기 어렵다.

4. 내부 속성을 변경하거나 초기화 하기 어렵다.

5. private 생성자로 자식 클래스를 만들기 어렵다.

6. 유연성이 떨어진다.

 

싱글톤 컨테이너

싱글톤 컨테이너는 싱글톤 패턴의 문제점을 해결하면서 객체 인스턴스를 싱글톤(1개만 생성)으로 관리한다. 스프링 빈이 바로 싱글톤으로 관리되는 객체다.

 

[그림 2] 스프링 컨테이너의 싱글톤 컨테이너 역할

• 스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴을 적용하지 않아도, 객체 인스턴스를 싱글톤으로 관리한다.
• 스프링 컨테이너는 싱글톤 컨테이너 역할을 한다. 이렇게 싱글톤 객체를 생성하고 관리하는 기능을 싱글톤 레지스트리라고 한다.
• 스프링 컨테이너의 이러한 기능 덕분에 싱글톤 패턴의 모든 단점을 해결하면서 객체를 싱글톤으로 유지할 수 있다.
  • 싱글톤 패턴을 위한 지저분한 코드가 들어가지 않는다.
  • DIP, OCP를 위반하지 않는다.
  • 테스트가 용이해진다.

 

싱글톤 방식의 주의점

싱글톤 객체는 전역에서 공유되는 객체이므로 멀티쓰레드 환경에서의 동시성 문제를 주의해야 한다. 동시성 문제에 대해 자세히 알고 싶다면 다음을 참고하자.

[운영체제] 동기화 문제(Synchronization problem), 경쟁 상태(Race Condition), 임계 영역(Critical Section)

 

따라서 싱글톤 방식은 여러 클라이언트가 하나의 같은 객체 인스턴스를 공유하므로 싱글톤 객체는 상태를 유지(stateful)하게 설계하면 안된다! 

 

즉, 다음과 같이 무상태(stateless)로 설계해야한다.

1. 특정 클라이언트에 의존적인 필드가 있어선 안 된다.

2. 특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드가 있으면 안된다.

3. 가급적 읽기만 가능해야 한다.

4. 필드 대신 자바에서 공유되지 않는 지역변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용해야 한다.

 

스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 매우 큰 장애가 발생할 수 있으므로 주의하자. 따라서 스프링 빈은 항상 무상태(stateless)로 설계하자.

 

 

@Configuration과 싱글톤

@Configuration
public class AppConfig {

    @Bean
    public MemberService memberService() {
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }
    
    @Bean
    public OrderService orderService() {
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }
    
    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        return new MemoryMemberRepository();
    }
}

위와 같은 AppConfig 코드가 있다고 하자. 

• MemberService 빈을 만드는 코드를 보면 memberRepository()를 호출
  • 해당 메서드는 new MemoryMemberRepository() 호출
• orderService 빈을 만드는 코드도 동일하게 memberRepository()를 호출
  • 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository()를 호출

각각 다른 2개의 MemoryMemberRepository()가 생성되면서 싱글톤이 깨지는 것처럼 보인다. 하지만 위 코드는 싱글톤 방식이 지켜지는 코드이다. 스프링 컨테이너는 이 문제를 어떻게 해결했을까?

 

@Configuration, 바이트 코드 조작 라이브러리 CGLIB

AppConfig도 스프링 빈이다. AppConfig를 조회해서 클래스 정보를 출력하면 다음과 같이 나온다.

 

class hello.core.AppConfig$$EnhancerBySpringCGLIB$$bd479d70

순수한 클래스라면 class hello.core.AppConfig 같이 출력돼야 한다. 하지만 스프링은 CGLIB라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용해 AppConfig 클래스를 상속받은 임의의 다른 클래스를 만들고, 그 다른 클래스를 스프링 빈으로 등록한다.

[그림 3] AppConfig와 CGLIB

이름은 appConfig 이름을 가져가고, 실제 등록되는 스프링 빈은 @CGLIB 클래스의 인스턴스가 등록된다.

스프링이 CGLIB 바이트코드 조작 라이브러리를 사용하여 만든 클래스가 스프링 빈의 싱글톤을 보장해준다.

아마도 다음과 같이 바이트 코드를 조작해서 작성되어있을 것이다. (실제로는 CGLIB의 내부 기술을 사용하는데 매우 복잡하다.)

 

@Bean
public MemberRepository memberRepository() {
    if(memorymemberRepository가 이미 스프링 컨테이너에 등록되어있으면?) {
        return 스프링 컨테이너에서 찾아서 반환;
    } else { // 스프링 컨테이너에 없으면
        기존로직을 호출해서 MemoryMemberRepository를 생성하고 스프링 컨테이너에 등록
        return 반환;
    }
}

즉, @Bean이 등록된 메서드마다 이미 스프링 빈이 존재하면 존재하는 빈을 반환하고, 스프링 빈이 없으면 생성해서 스프링 빈으로 등록하고 반환하는 코드가 동적으로 만들어진다. 이 덕분에 싱글톤이 보장된다.

 

이때, AppConfig를 @Configuration을 적용하지 않고, @Bean만 적용한다면 스프링 빈으로 등록되기는 하지만 CGLIB으로 바이트코드 조작되어 싱글톤을 보장하는 빈이 등록되지 않고, 순수 자바 객체가 등록된다. 따라서 싱글톤이 보장되지 않는다.

 

결론은, 스프링 설정 정보는 @Bean이 아닌 @Configuration을 사용해야 한다는 것이다!

 

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해당 게시글은 김영한 님의 인프런 강의 <스프링 핵심 원리 - 기본 편>을 듣고 정리하였습니다. 모든 그림 자료 또한 학습자료를 참고하였습니다.

출처 : https://www.inflearn.com/course/%EC%8A%A4%ED%94%84%EB%A7%81-%ED%95%B5%EC%8B%AC-%EC%9B%90%EB%A6%AC-%EA%B8%B0%EB%B3%B8%ED%8E%B8/dashboard