GoF 디자인 패턴 - 싱글톤 패턴 (Singleton Pattern)

 

소프트웨어 개발에서 객체의 생성과 관리는 중요한 설계 요소 중 하나이다. 싱글톤 패턴(Singleton Pattern)은 특정 클래스의 인스턴스를 오직 하나만 생성하고, 이를 전역적으로 접근할 수 있도록 보장하는 디자인 패턴이다. 이 패턴은 주로 설정 관리, 로깅 시스템, 데이터베이스 연결과 같은 공유 자원을 관리할 때 유용하게 사용된다.

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1. 싱글톤 패턴이란?

싱글톤 패턴은 생성 패턴 (Creational Patterns)의 하나로써 클래스의 인스턴스를 하나만 유지하도록 제한하는 디자인 패턴이다. 이를 통해 메모리 사용을 최적화하고, 전역적인 접근점을 제공하여 여러 객체 간의 데이터 일관성을 유지할 수 있다. 싱글톤 패턴을 사용하면 불필요한 객체 생성을 방지할 수 있어 성능 향상에도 기여한다.

특징

• 유일한 인스턴스 보장: 단 하나의 객체만 생성되며, 동일한 인스턴스를 계속해서 사용한다.
• 전역 접근 제공: 어디서든 동일한 인스턴스를 참조할 수 있다.
• 객체 생성 비용 절감: 불필요한 객체 생성을 방지하여 메모리 사용을 효율적으로 관리할 수 있다.
• 멀티스레드 환경에서 주의 필요: 동기화 문제를 고려하여 구현해야 한다.

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2. 싱글톤 패턴 구현 방법

싱글톤 패턴을 구현하는 방식은 여러 가지가 있으며, 각각의 방법은 장단점이 있다.

 

2.1 기본적인 싱글톤 구현 (Lazy Initialization)

가장 기본적인 방식으로, 객체가 필요할 때 생성하는 방법이다.

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

장점

• 객체가 실제로 필요할 때 생성되므로 메모리를 절약할 수 있다.

단점

• 멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 접근할 경우, 두 개 이상의 인스턴스가 생성될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.

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2.2 스레드 안전한 싱글톤 (Synchronized)

멀티스레드 환경에서 안전하게 동작하도록 synchronized 키워드를 사용하여 동기화할 수 있다.

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

장점

• 동기화를 통해 멀티스레드 환경에서도 안전하게 인스턴스를 생성할 수 있다.

단점

• synchronized 키워드로 인해 성능이 저하될 수 있다.

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2.3 이른 초기화(Eager Initialization)

클래스가 로드될 때 미리 인스턴스를 생성하는 방식이다.

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

장점

• 멀티스레드 환경에서도 안전하다.
• 동기화 처리가 필요 없다.

단점

• 클래스가 로드될 때 무조건 인스턴스를 생성하므로, 실제로 사용되지 않더라도 메모리를 차지할 수 있다.

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2.4 정적 내부 클래스(Static Inner Class)

정적 내부 클래스를 활용하면 성능과 안정성을 모두 보장할 수 있다.

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

장점

• 클래스가 로드될 때까지 인스턴스를 생성하지 않아 메모리를 절약할 수 있다.
• 동기화가 필요 없으며, 멀티스레드 환경에서도 안전하다.

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2.5 더블 체크 락킹(Double-Checked Locking)

성능을 고려하여 동기화 블록을 최소화한 방식이다.

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

장점

• 성능 저하를 최소화하면서 멀티스레드 환경에서도 안전하게 사용할 수 있다.

단점

• 코드가 비교적 복잡하며, volatile 키워드 지원 여부를 고려해야 한다.

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3. 싱글톤 패턴의 활용 사례

3.1 로깅 시스템

로그 관리를 위한 클래스는 전역적으로 하나만 존재해야 하므로, 싱글톤 패턴을 적용하면 적절하다.

public class Logger {
    private static Logger instance;
    
    private Logger() {}
    
    public static Logger getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Logger();
        }
        return instance;
    }
    
    public void log(String message) {
        System.out.println("Log: " + message);
    }
}

 

3.2 데이터베이스 연결 관리

데이터베이스 커넥션 풀을 관리하는 경우에도 하나의 인스턴스를 유지하는 것이 효율적이다.

public class DatabaseConnection {
    private static DatabaseConnection instance;
    
    private DatabaseConnection() {}
    
    public static DatabaseConnection getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new DatabaseConnection();
        }
        return instance;
    }
    
    public void connect() {
        System.out.println("Connected to database");
    }
}

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싱글톤 패턴은 객체의 유일성을 보장하고 메모리 사용을 최적화하는 데 유용하다. 그러나 멀티스레드 환경에서는 주의해서 구현해야 하며, 필요하지 않은 경우 남용하면 코드의 복잡성을 증가시킬 수 있다. 상황에 맞게 적절한 싱글톤 구현 방식을 선택하는 것이 중요하다.