싱글톤 패턴 (Singleton Pattern)

싱글톤 패턴(Singleton Pattern)은 클래스의 인스턴스가 애플리케이션 전체에서 단 하나만 존재하도록 보장하고, 그 인스턴스에 접근하는 전역 지점을 제공하는 생성 디자인 패턴이다. 싱글톤 패턴은 설정 관리자, 커넥션 풀, 로거처럼 공유 자원을 다루는 객체에 주로 쓰인다. 구현은 간단해 보이지만 멀티스레드 안전성과 테스트 어려움이라는 함정이 있어 면접에서 가장 자주 등장하는 패턴 중 하나다.

패턴의 의도

어떤 객체는 시스템에 둘 이상 존재하면 문제가 된다. 데이터베이스 커넥션 풀이 여러 개면 연결 수 제한이 무의미해지고, 설정 객체가 여러 개면 서로 다른 설정을 읽는 코드가 생길 수 있다. 싱글톤 패턴은 두 가지 요구를 동시에 만족시킨다. 첫째, 생성자를 private으로 막아 외부에서 인스턴스를 임의로 만들 수 없게 하고, 둘째, 유일한 인스턴스를 돌려주는 정적 접근 메서드를 제공해 어디서든 같은 객체를 얻게 한다. 즉 인스턴스 개수의 통제와 전역 접근을 클래스 스스로 책임지는 구조다.

구현 방법의 진화

가장 단순한 구현은 즉시 초기화(eager initialization)다. 클래스 로딩 시점에 인스턴스를 만들어 두므로 스레드 안전이 JVM의 클래스 로딩 규칙에 의해 공짜로 보장된다. 다만 사용하지 않아도 인스턴스가 만들어진다.

public class Settings {
    private static final Settings INSTANCE = new Settings();

    private Settings() {}  // 외부 생성 차단

    public static Settings getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

인스턴스 생성 비용이 커서 지연 초기화(lazy initialization)가 필요하다면 이야기가 복잡해진다. getInstance 안에서 null 검사 후 생성하는 순진한 방식은 멀티스레드 환경에서 두 스레드가 동시에 검사를 통과해 인스턴스가 두 개 만들어질 수 있다. 메서드 전체에 synchronized를 걸면 안전하지만 매 호출마다 락 비용이 든다. 이를 개선한 것이 이중 검사 잠금(Double-Checked Locking)이다.

public class Connection {
    // volatile이 없으면 재배치 때문에 미완성 객체가 노출될 수 있다
    private static volatile Connection instance;

    private Connection() {}

    public static Connection getInstance() {
        if (instance == null) {                     // 1차 검사(락 없이)
            synchronized (Connection.class) {
                if (instance == null) {             // 2차 검사(락 안에서)
                    instance = new Connection();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile이 필수인 이유를 설명할 수 있어야 한다. 객체 생성은 메모리 할당, 생성자 실행, 참조 대입의 여러 단계로 이루어지는데, JVM의 명령어 재배치로 생성자 실행 전에 참조가 먼저 대입되면 다른 스레드가 초기화가 덜 된 객체를 볼 수 있다. volatile은 이 재배치를 금지하고 가시성을 보장한다.

더 우아한 대안은 정적 내부 클래스(holder) 방식이다. 내부 클래스는 처음 참조되는 순간 로딩되므로 지연 초기화와 스레드 안전을 동시에 얻고 코드도 짧다.

public class Logger {
    private Logger() {}

    private static class Holder {
        private static final Logger INSTANCE = new Logger();
    }

    public static Logger getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

마지막으로 enum 싱글톤이 있다. 원소가 하나인 enum은 JVM이 인스턴스 유일성을 보장하고, 리플렉션으로 생성자를 호출하는 공격과 직렬화 후 역직렬화로 새 인스턴스가 생기는 문제까지 언어 차원에서 막아 준다. 이펙티브 자바(Effective Java)가 권장하는 방식으로 널리 알려져 있다.

public enum AppConfig {
    INSTANCE;

    public String get(String key) {
        return "value";
    }
}