자바 싱글톤 패턴과 이중 체크락(Double-Checked Locking) + volatile

2024-01-19

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사진: Unsplash 의 William Warby

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1. 예제

 

아래와 같이 싱글톤 패턴이 있다고 할 때 몇 가지 문제점이 발생할 수 있다. 

class SampleSingleton {
  private static SampleSingleton instance;

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

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2. volatile

  private static SampleSingleton instance;

 

위의 변수는 volatile 로 선언되어 있지 않아 멀티스레드의 환경에서의 안정성이 떨어질 수 있다. 멀티 스레드 환경에서는 각 스레드가 자체 cpu 캐시를 가질 수 있는데, 이로 인해 한 스레드에서 변수를 수정하더라도 다른 스레드에 즉시 반영되지 않을 수 있게 된다. 

 

위와 같은 문제를 volatile 을 통해 해결할 수 있다. volatile  은 가시성(Visibility) 과 순서(Ordering)와 연관이 있는 키워드로 써

 

가시성(Visibility) 은 쓰레드스레드 간에 변수의 변경 사항이 즉시 반영되도록 보장한다. 즉, 한 스레드에서 변수를 수정하면, 다른 스레드에서 해당 변수를 읽을 때 최신의 값을 확인할 수 있다.

 

순서(Ordering) 는  변수의 읽기와 쓰기가 일정한 순서를 갖도록 보장한다. 다시 말해, 변수에 대한 모든 쓰기가 변수에 대한 모든 읽기보다 먼저 수행된다.

 

위 두가지 속성을 통해 해당 인스턴스 변수를 아래와 같이 수정하면 멀티스레드 환경에서도 해당 변수는 항상 최신데이터를 가지고 있을 수 있도록 만들 수 있다.

 

  private static volatile SampleSingleton instance;

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3. 생성자 

 

외부에서 접근할 수 없도록 생성자를 private로 명시적으로 만들어 둘 필요가 있다. 아래의 코드를 추가해 준다.

 

  private SampleSingleton() {
    // private 생성자로 외부에서의 인스턴스 생성을 막음
  }

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4. 이중 체크 락(Double-Checked Locking) 

 

이전코드는 매번 인스턴스를 가져올 때마다 동기화를 획득했지만 개선된 코드에서는 객체를 생성해야 되는지 여부를 먼저 확인한 후 없을 경우에만 잠금을 걸어 속도향상을 기대할 수 있다.

 

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

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5. 전체코드

 

public class SampleSingleton {
  private static volatile SampleSingleton instance;

  private SampleSingleton() {
    // private 생성자로 외부에서의 인스턴스 생성을 막음
  }

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

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6. 추가적인 문제점

 

하지만 위의 코드들도 추가적인 문제점이 존재한다.

 

• volatile 키워드가 필요하여 자바 1.4 이하 버전에서는 사용할 수 없다.
• 쓸데없이 코드가 길어 읽기 힘들어진다.

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7. 다른 방법

Early Initialization

스레드 안전성을 달성하는 가장 쉬운 방법은 객체 생성을 인라인으로 설정하거나 동등한 static 메서드를 사용하는 것이다. 이는 static  필드와 메서드가 차례로 초기화된다는 사실을 활용한다. 

 

public class SampleSingleton {
    private static final SampleSingleton INSTANCE = new SampleSingleton();
    public static SampleSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
    
     // private constructor and other methods...
}

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Initialization on Demand

Java는 메서드나 필드 중 하나를 처음 사용할 때 클래스 초기화가 발생하기 때문에 아래와 같이 중첩된 static 클래스를 사용하여 지연 초기화를 구현할 수 도 있다.

 

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

     // private constructor and other methods...
}

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8. 출처

 

https://www.baeldung.com/java-singleton-double-checked-locking

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메인 이미지 출처 : 사진: Unsplash의William Warby