Java에서의 Singleton 패턴

1. Singleton 패턴이란?

싱글톤 패턴(Singleton Pattern)은 단 하나의 객체만 생성해야 할 때 사용하는 디자인 패턴입니다.
이 패턴을 적용하면 애플리케이션 내에서 여러 곳에서 동일한 인스턴스를 참조할 수 있으며, 프로그램 전반에서 하나의 객체를 전역적으로 관리할 수 있습니다.

1) 싱글톤 패턴의 핵심 개념

(1) 하나의 객체만 생성됨

싱글톤 패턴은 프로그램이 실행되는 동안 딱 하나의 객체만 생성되며, 이 객체는 프로그램 어디서든 동일하게 사용됩니다.

(2) private 생성자 사용

외부에서 new 연산자를 사용하여 새로운 객체를 생성하지 못하도록, 생성자를 private으로 설정합니다. 이렇게 함으로써 외부에서는 객체를 직접 생성하지 못하고, 제공되는 메서드를 통해서만 객체에 접근할 수 있습니다.

(3) 정적 메서드를 통한 객체 반환

객체는 정적 메서드를 통해서만 접근할 수 있으며, 이 메서드를 호출하면 단 하나의 인스턴스를 반환합니다.

2. Singleton 패턴의 필요성

싱글톤 패턴은 여러 곳에서 동일한 객체를 사용할 때 유용합니다.
이러한 상황에서는 불필요한 객체 생성을 피하고 자원 절약과 일관성 유지를 위해 싱글톤 패턴이 필요합니다.

1) 환경 설정 객체: 애플리케이션 전역에서 동일한 설정 값을 참조해야 할 때.

2) 로그 관리자: 프로그램 전반에서 동일한 로그 시스템을 사용할 때.

3) 데이터베이스 연결 관리: 여러 곳에서 동일한 데이터베이스 연결 객체를 사용해야 할 때.

이처럼 하나의 객체만 유지되어야 할 때, 싱글톤 패턴을 사용하면 불필요한 객체 생성을 방지하고 자원을 절약할 수 있습니다.

3. Singleton 패턴 구현

package _05_class._access_modifier._pack5;

public class Singleton {
    // 클래스가 로드될 때 단 한 번 초기화되는 정적 필드를 선언
    private static Singleton singleton = new Singleton();

    // 외부에서 new로 객체를 생성할 수 없도록 private 생성자 선언
    private Singleton() {}

    // 싱글톤 객체에 접근할 수 있는 public 정적 메서드 제공
    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}

1) 구현 설명

(1) 정적 필드 (static field)

private static Singleton singleton = new Singleton();는 정적 필드로 선언되어 클래스가 로드될 때 단 한 번 초기화됩니다. 이는 프로그램이 실행되는 동안 오직 하나의 객체만 생성되도록 보장합니다.

(2) private 생성자

private Singleton() 생성자는 외부에서 객체를 직접 생성하지 못하도록 설계되었습니다. 이렇게 설정함으로써 다른 클래스에서 new Singleton()을 통해 객체를 생성할 수 없으며, 이를 통해 단일 인스턴스를 유지합니다.

(3) 정적 메서드 (static method)

public static Singleton getInstance()는 싱글톤 객체에 접근할 수 있는 유일한 방법입니다. 이 메서드는 항상 동일한 singleton 객체를 반환하며, 외부에서 객체를 생성하는 것이 아니라 이미 생성된 객체에 접근할 수 있습니다.

4. Singleton 패턴 사용 예시

싱글톤 패턴을 사용하여 객체가 하나만 생성되는지 확인해보는 코드입니다.

package _05_class._access_modifier._pack5;

public class SingletonEx {
    public static void main(String[] args) {
        // Singleton s1 = new Singleton();
        // 컴파일 에러 발생: private 생성자 때문에 외부에서 new로 객체 생성 불가

        // 정적 메서드를 통해 싱글톤 객체를 얻음
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        Singleton s3 = Singleton.getInstance();

        // 동일한 객체를 참조하는지 확인 (s2와 s3는 동일한 객체)
        if (s2 == s3) {
            System.out.println("같은 Singleton 객체");
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s3);
        } else {
            System.out.println("다른 Singleton 객체");
        }
    }
}

1) 예시 코드 설명

(1) 객체 참조 비교

Singleton.getInstance() 메서드를 사용하여 두 개의 변수 s2와 s3에 객체를 할당합니다. 싱글톤 패턴에 의해 하나의 객체만 생성되므로, s2와 s3는 동일한 객체를 참조합니다.

(2) 참조 동일성 검사

s2 == s3 조건을 사용해 두 변수가 동일한 객체를 참조하는지 확인합니다. 조건이 참이라면 s2와 s3는 동일한 인스턴스를 가리키고 있다는 의미입니다. 따라서 출력 결과는 “같은 Singleton 객체”가 됩니다.

출력 결과

같은 Singleton 객체
_05_class._access_modifier._pack5.Singleton@1a2b3c4d
_05_class._access_modifier._pack5.Singleton@1a2b3c4d

두 객체의 참조 주소가 동일함을 확인할 수 있습니다. 즉, s2와 s3는 모두 같은 인스턴스를 가리키고 있습니다.

5. Singleton 패턴의 장단점

1) 장점

(1) 자원 절약

객체를 한 번만 생성하므로 메모리 자원을 절약할 수 있습니다. 특히 객체 생성 비용이 높은 경우 싱글톤 패턴을 통해 성능 향상을 기대할 수 있습니다.

(2) 전역 접근 가능

싱글톤 객체는 전역적으로 접근 가능하여, 여러 클래스에서 동일한 객체를 공유하고 사용할 수 있습니다. 이를 통해 애플리케이션 내에서 일관된 상태를 유지할 수 있습니다.

(3) 상태 관리 용이

하나의 인스턴스만 존재하므로, 애플리케이션 전체에서 동일한 상태를 유지할 수 있습니다. 이로 인해 데이터 일관성이 유지됩니다.

2) 단점

(1) 테스트 어려움

싱글톤 패턴은 객체의 상태가 전역적으로 공유되므로, 테스트 시 독립적으로 객체를 관리하기 어렵습니다. 각 테스트마다 객체의 상태를 초기화하거나 분리된 인스턴스를 사용하는 것이 불가능할 수 있습니다.

(2) 멀티스레드 환경에서의 문제

멀티스레드 환경에서 동기화 처리가 되어 있지 않으면, 여러 스레드가 동시에 객체를 생성하려고 시도할 수 있어 문제가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하려면 싱글톤 패턴을 Thread-safe하게 구현해야 합니다.