Singleton Pattern은 세상에서 단 하나뿐인 특별한 객체를 만드는 디자인 패턴이다. 싱글턴 패턴이 무엇인지 알아보자.

Singleton Pattern

Singleton Pattern은 인스턴스가 하나 뿐인 객체를 만들게 하는 디자인 패턴이다.

인스턴스가 하나밖에 없기 때문에 클래스 다이어그램도 아래와 같이 클래스가 덩그러니 하나만 존재한다.

간단해 보이지만, 클래스의 인스턴스가 오로지 한 개만 존재할 수 있는 방법을 생각하면 그리 간단하지 않다.

Why

인스턴스가 하나만 필요한 이유나 필요한 상황은 무엇일까? 객체가 하나만 있어도 될 때다.

스레드 풀, 캐시, 대화상자, 사용자 설정, 프린터 같은 디바이스를 위한 디바이스 드라이버는 하나만 존재해도 되거나, 하나만 존재해야하는 경우에 해당한다. 이런 객체를 두 개 이상 만들면

프로그램이 이상하게 동작한다.
자원을 불필요하게 많이 소모한다.

와 같은 문제가 생길 수 있다.

싱글턴 패턴은 객체를 오직 하나만 만들어서 이런 문제를 예방한다. 또한 전역 변수를 사용할 때와 같이 객체 인스턴스를 어디서든지 접근할 수 있게 한다. 전역 변수의 경우 애플리케이션이 시작되는 시점에 객체가 생성되어 끝날때까지 사용이 되지 않는다면 자원을 불필요하게 소모만 하는 경우가 있겠지만 싱글턴 패턴을 사용하면 필요할 때만 객체를 만들 수 있다.

How

클래스의 인스턴스가 하나만 존재하도록 만드려면 어떻게 해야 할까? Swift를 사용해서 볼 것이다.

객체 생성

우리는 클래스 인스턴스를 생성할 때 아래와 같이 클래스의 생성자를 이용해서 객체를 생성한다. 아래 코드는 객체를 여러개 생성할 수 있다.

class Singleton {
    // 생성자	
    init() {}
}

let singleton1 = Singleton()
let singleton2 = Singleton()
let singleton3 = Singleton()

클래스를 private하게?

만약 클래스 자체를 private 하게 만들면 해당 클래스를 정의하고 구현한 범위 내에서만 사용할 수 있기 때문에 아래와 같이 singleton 변수에 private이나 fileprivate를 붙이지 않으면 접근제어 관련된 컴파일 에러가 뜬다.

클래스를 private하게 만들어도 인스턴스를 하나만 생성할 수 있는 건 아니다.

private class Singleton {
    // 생성자
    init() {}
}

private let singleton1 = Singleton()
private let singleton2 = Singleton()
private let singleton3 = Singleton()

생성자를 private하게

이니셜라이저, 생성자를 private하게 만들면 어떻게 될까?

클래스의 이니셜라이저가 private 접근 레벨 때문에 접근할 수 없다는 컴파일 에러가 발생한다. 따라서 저 클래스 밖에서는 이니셜라이저에 접근할 수 없기 때문에 외부에서 인스턴스를 만들 수 없는 클래스가 됐다.

위에서도 말했지만, private 접근 레벨을 설정하면 해당 이니셜라이저를 정의하고 구현한 클래스 Singleton 내에서만 이니셜라이저에 접근하고 호출할 수 있다.

클래스 내부에 인스턴스를 생성

코드를 먼저 보자.

class Singleton {
    // 생성자
    private init() {}
    
    public static func getInstance() -> Singleton {
        // return singleton instance
    }
}

위 코드에서는 getInstance() 라는 정적 메서드를 정의했다. 이 메서드는 Singleton 객체를 리턴하도록 정의됐다. 정적(타입) 메서드이기 때문에 외부에서 이 메서드를 호출하려면 Singleton.getInstance()와 같이 호출해야 한다.

위 코드에서 코드를 조금 추가했다.

class Singleton {
    // 생성자
    private init() {}
    
    public static func getInstance() -> Singleton {
    	// private initializer에 접근할 수 있다.
        return Singleton()
    }
}

Singleton.getInstance()

getInstance()라는 정적(타입) 메서드에서 클래스의 private한 이니셜라이저를 호출해 인스턴스를 생성했다. 이렇게 하면 외부에서는 클래스의 인스턴스를 만들지 못하지만, 클래스 내부에서 인스턴스를 생성해서 반환할 수 있는 것이다.

객체를 하나만 만들기

이제 이 getInstance 정적 메서드를 사용해서 클래스의 인스턴스를 하나만 만들 수 있다.

class Singleton {
    // 유일한 인스턴스를 저장할 변수
    private static var uniqueInstance: Singleton?
    
    // private하기 때문에 클래스 내부에서만 접근 가능
    private init() {}
    
    public static func getInstance() -> Singleton {
    	// uniqueInstance가 nil(null)이면 인스턴스를 만들어 할당한다
        if uniqueInstance == nil {
            uniqueInstance = Singleton()
        }
        
	// 이 시점에서 uniqueInstance는 항상 nil(null)이 아니기 때문에 객체를 반환하면 된다.
        return uniqueInstance!
    }
}

유의할 점은, Singleton의 uniqueInstance 변수에는 실제로 getInstance() 메서드가 호출되기 전까지 아무런 값도 존재하지 않는다는 점이다. 이렇게 인스턴스가 필요한 상황이 오기 전까지 인스턴스를 생성하지 않는 것을 lazy instantiation, lazy initialization이라고 한다.

이제 getInstance() 메서드로 유일한 하나의 객체를 호출할 수 있다. 이 객체는 유일하기 때문에 한 애플리케이션의 어디서라도 똑같은 객체에 접근해 사용할 수 있다. 객체가 하나밖에 없기 때문에 스레드 풀과 같은 자원 풀을 관리하는데 유용하다.

사실 위 코드도 안전하지 않다. 실수로 객체 인스턴스가 여러 개 생기면서 버그가 생길 수도 있고, 여러 곳에서 한 인스턴스에 동시 접근하기 때문에 예상치 못한 동작을 할 수도 있다.

문제 개선

객체를 하나만 만들겠다고 위의 임시 싱글턴 패턴 코드를 사용하면 잘못해서 객체가 여러 개가 생길 수도 있다. 가령 멀티쓰레드 환경에서 getInstance() 코드를 실행했다고 생각해보자. 멀티쓰레드 환경에서는 쓰레드가 CPU를 번갈아 사용하면서 돌아가며 코드를 실행할 것이다.

이렇게 멀티쓰레드 환경에서는 문제가 생긴다. getInstance() 메서드를 동기화시키면 멀티쓰레딩 문제가 해결된다. getInstance() 코드 영역에는 한 쓰레드만 접근할 수 있도록 하는 것이다.

잠시 자바로 getInstance() 를 동기화하는 걸 보면 아래와 같이 하면 된다.

public class Singleton {
	private static Singleton uniqueInstance;
	
	private Singleton() {}
	
	// synchronize method
	public static synchronized Singleton getInstacnce() {
		if (uniqueInstance == null) {
			uniqueInstance = new Singleton();
		}
		
		return uniqueInstance;
	}
}

위처럼 메서드 전체를 동기화 시키는 것도 방법이지만, 사실 동기화가 필요한 부분은 메서드를 초반에 접근할 때 뿐이다. 한 번 uniqueInstance에 객체가 할당되고 나서는 메서드를 동기화한 상태로 둘 필요가 없다. 따라서 오버헤드가 증가할 수 있는 것이다.

이 문제를 더 효율적으로 해결할 수 있는 방법을 보자.

getInstance() 의 속도가 중요하지 않다면 그냥 둔다.

그냥 두는 것도 하나의 방법이다. 다만 메서드를 동기화하면 성능이 저하되기 때문에 만약 성능상 이슈가 있다면 다른 방법을 적용해야 한다.

인스턴스를 처읍에 만들어버린다.

애플리케이션에서 인스턴스를 처음에 생성해버리고 계속 그 인스턴스를 사용하는 방법이 있다. 다시 자바 코드를 보면 아래와 같다.

public class Singleton {
	private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
	
	private Singleton() {}
	
	// synchronize method
	public static synchronized Singleton getInstacnce() {
		return uniqueInstance;
	}
}

Swift는 문제 없다

위에서 멀티 쓰레딩 환경에서 발생할 수 있는 문제와 해결할 수 있는 방법을 봤다. 굳이 swift로 코드를 작성하지 않았던 이유는 swift는 위에서 봤던 이유를 신경쓰지 않을 수 있기 때문이다.

swift는 단순히 아래와 같이 코드를 작성하면 된다.

class Singleton {
    
    static let uniqueInstance = Singleton()
    
    // MARK: init
    private init() {}
}

애플 공식문서를 보면 아래와 같이 나와있다.

Static 변수는 처음 접근되었을 때 lazy하게 초기화되고, 멀티쓰레드 환경에서도 thread-safe하게 동작한다. 따라서 java와 같이 동기화를 하거나 double-checking locking과 같은 걸 할 필요가 없다.

이제 Apple 공식문서에서 Singleton Pattern을 어떻게 적용하는지도 문서화해서 읽어보면 좋을 것 같다. (https://developer.apple.com/documentation/swift/managing-a-shared-resource-using-a-singleton)

참조
Head First Design Patterns (한빛 미디어)

Singleton Pattern, 싱글턴 패턴

Singleton Pattern

Why

How

객체 생성

클래스를 private하게?

생성자를 private하게

클래스 내부에 인스턴스를 생성

객체를 하나만 만들기

문제 개선

getInstance() 의 속도가 중요하지 않다면 그냥 둔다.

인스턴스를 처읍에 만들어버린다.

Swift는 문제 없다

NSKG

Singleton Pattern

Why

How

객체 생성

클래스를 private하게?

생성자를 private하게

클래스 내부에 인스턴스를 생성

객체를 하나만 만들기

문제 개선

getInstance() 의 속도가 중요하지 않다면 그냥 둔다.

인스턴스를 처읍에 만들어버린다.

Swift는 문제 없다

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