[Spring] 싱글톤 패턴과 싱글톤 컨테이너 정리

웹 애플리케이션과 싱글톤

스프링은 주로 웹 애플리케이션 개발을 위해 사용되는 프레임워크입니다.

웹 애플리케이션의 특징은 여러 사용자가 동시에 요청을 보낸다는 점입니다.

 

예를 들어 하나의 요청이 들어올떄마다 서비스 객체를 새로 생성한다고 가정하겠습니다.

만약 초당 100개의 요청이 들어오면 100개의 객체를 생성 후 소멸해야 합니다.

이러한 방식은 메모리 사용량이 증가하여 성능 저하와 같은 문제가 발생합니다.

이 문제를 해결하기 위해서는 요청에 비례하여 객체를 생성하는 것이 아니라, 딱 하나만 생성해 두고 여러 요청이 공유해서 사용하도록 하면 됩니다.

 

이러한 방식을 싱글톤 패턴(Singleton Pattern)이라고 합니다.

웹 애플리케이션처럼 동시에 많은 요청이 발생하는 환경에서는 싱글톤 패턴이 효율적입니다.  

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싱글톤 패턴(Singleton Pattern)

✔️ 싱글톤 패턴
클래스의 인스턴스가 단 하나만 생성되도록 보장하는 디자인 패턴입니다.
즉, 객체를 여러 개 생성하는 것이 아니라 하나의 객체를 만들어 공유해 사용하는 방식입니다.

이를 위해 외부에서 new 키워드를 통해 객체를 생성하지 못하도록 막아야 하며, 일반적으로 private 생성자를 사용하여

직접 생성하지 못하도록 제한합니다.

싱글톤 패턴을 적용하면 고객의 요청수에 비례해 객체를 생성하는 것이 아닌, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 사용할 수 있습니다. 하지만 싱글톤 패턴은 수많은 문제점을 갖고 있습니다.

 

예시 코드와 같이 알아보겠습니다.

public class SingletonService {

    private static final SingletonService instance = new SingletonService();

    private SingletonService() {}

    public static SingletonService getInstance() {
        return instance;
    }
}

위의 코드는 다음과 같은 특징이 있습니다.

✔️ 1개의 객체만 생성 가능
✔️ 외부에서 new 키워드 사용 불가
✔️ getInstance() 메서드를 통해서만 객체 조회 가능

싱글톤 패턴의 핵심은 객체를 직접 가져다 사용하며, 이는 객체의 생성과 사용을 개발자가 직접 제어하고 있습니다.

이와 같은 구조는 다음과 같은 문제를 발생시킵니다.

싱글톤 패턴 단점

단점	예시 코드	설명
DIP 위반	SingletonService service =  SingletonService.getInstance();	인터페이스가 아닌 구체 클래스에 의존 * 구현체에 강하게 묶임
OCP 위반	SingletonService service = SingletonService.getInstance();	구현체 변경 및 기능 확장시 기존 코드 변경
테스트 어려움	1. Service service = new FakeService();  2. 테스트 A : service.setValue(10);     테스트 B : service.getValue() => 10	1. 일반적으로는 테스트용 객체를 이용해 테스트하지만 사용 불가능. 2. 한 개의 객체만을 사용해 상태가 공유되어 테스트끼리 영향을 줌
상태 공유 문제	사용자 A : service.setValue(10);  사용자 B : service.setValue(20);  사용자 A : service.getValue(); => 20  사용자 B : service.getValue(); => 20	사용자 A는 값 10을 저장했지만, 20을 보게 됨. 상태를 가지면 문제가 발생하므로 싱글톤은 무상태(stateless)로 써야 함
유연성 낮음	Service service = new FakeService();	1. new() 키워드 사용 불가 2. 상속 어려움 3. 교체 어려움 => 고정된 구조
코드 가독성 저하	private static final~ private 생성자 ~ getInstance() ~	반복적인 코드

💡 싱글톤 패턴은 객체를 하나만 생성하여 효율적으로 사용하는 장점이 있지만, 객체를 하나만 사용하는 구조 때문에
유연성과 확장성이 크게 떨어지는 단점을 포함한 수많은 단점을 가지고 있어, 안티 패턴이라고도 불립니다.

싱글톤 컨테이너

스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴의 단점을 해결하면서, 객체를 싱글톤(1개만 생성)으로 관리합니다.

즉, 객체를 직접 싱글톤으로 구현하지 않아도 스프링이 알아서 객체를 하나만 생성하고 관리해 줍니다.

 

스프링 DI 컨테이너는 다음과 같은 특징이 있습니다.

✔️ 기본적으로 등록된 빈을 모두 싱글톤으로 관리(객체 생성, 관리, 공유)
       ↳  별도의 설정 및 싱글톤 패턴 구현 필요 x

✔️ 유연성과 확장성을 유지하며 싱글톤 사용 가능
       ↳  기존 싱글톤의 DIP, OCP 위반 등의 다양한 문제 해결

✔️ 싱글톤 레지스트리 : 생성된 객체를 생성된 객체를 내부에서 저장하고 관리(재사용)
       ↳ 메모리 사용 감소 + 성능 향상

스프링은 기본적으로 싱글톤 방식으로 동작하지만, 필요에 따라 다른 방식도 사용할 수 있습니다.

싱글톤 방식의 주의점

싱글톤 패턴이든, 스프링의 싱글톤 컨테이너를 사용하든, 

객체를 하나만 생성해서 여러 클라이언트가 공유하는 구조라는 점은 동일합니다.

 

이러한 싱글톤 방식은 여러 클라이언트가 하나의 같은 객체 인스턴스를 공유하기 때문에 주의해야 할 점이 있습니다.

앞에서도 말했던 내용이지만, 중요한 내용이기 때문에 다음 예시 코드를 통해 다시 알아보겠습니다.

잘못된 설계(상태 유지, Stateful)

상태 유지(Stateful)란 객체 내부에 데이터를 저장하고, 그 상태를 유지하는 것을 의미합니다.

즉, 한 번 저장된 값이 이후에도 계속 남아있으며 여러 사용자가 그 값을 함께 공유하게 되는 구조입니다.

public class StatefulService {

    private int price; // 공유되는 상태값

    public void order(String name, int price) {
        this.price = price; // 값 저장 (문제!)
    }

    public int getPrice() {
        return price;
    }
}

문제 상황

public static void main(String[] args) {

    StatefulService service = new StatefulService();
    StatefulService service = new StatefulService();

    // 사용자 A
    service.order("A", 10000);

    // 사용자 B
    service.order("B", 20000);

    // 사용자 A가 자신의 주문 금액 조회
    int price = service.getPrice();
}

❗문제 발생
사용자 A는 10,000원을, 사용자 B는 20,000원을 주문했지만 사용자 A가 조회하면 20,000원이 반환
왜 이런 문제가 발생할까요?

✔ 코드 흐름
사용자 A의 price = 10,000 저장
사용자 B의 price = 20,000 저장 (덮어쓰기)
사용자 A의 price 조회 -> 20,000

즉, 하나의 개체를 여러 사용자가 공유하면서 데이터가 덮어씌워지는 문제가 발생합니다.

따라서 싱글톤 객체는 반드시 무상태(Stateless)로 설계해야 합니다.

 

올바른 설계 (무상태, Stateless)

무상태(Stateless)란 객체 내부에 데이터를 저장하지 않고, 요청이 들어올 때마다 필요한 값을 전달받아 처리하는 방식입니다.

무상태(Stateless) 특징

✔️ 특정 사용자에 의존하는 필드를 생성 x

✔️ 객체 내부에 값을 저장 x

✔️ 값은 항상 파라미터로 전달

✔️ 결과는 지역 변수로 처리

그러면 위의 특징들을 참고한 예시 코드입니다.

public class StatelessService {

    public int order(String name, int price) {
        return price; // ✔️ 저장하지 않고 바로 반환
    }
}

상태 유지(Statelful) 설계와 달리 값을 저장하지 않고 바로 파라미터로 전달해서 서로의 데이터에 영향을 주지 않습니다.

❗ 스프링 빈의 필드에 공유되는 값을 저장하면 예측하기 어려운 심각한 장애로 이어질 수 있다.
💡 싱글톤 객체는 여러 사용자가 공유하기 때문에, 절대 상태를 가지지 않도록 설계해야 한다.

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스프링의 싱글톤 보장

앞에서 우리는 싱글톤 객체는 반드시 무상태(stateless)로 설계해야 한다는 것을 확인했습니다.

스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리로, 스프링 빈이 싱글톤이 되도록 보장해주어야 합니다.

그러면 스프링은 어떠한 방식으로 싱글톤을 보장해 주는지 알아보겠습니다.

@Configuration
public class AppConfig {

    @Bean
    public MemberService memberService() {
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }

    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        return new MemoryMemberRepository();
    }
}

 

일반 자바 코드라면 위의 코드에서 memberRepository를 2번 호출하니 2개의 객체를 생성해 싱글톤이 깨집니다.

하지만 스프링은 이 문제를 해결하기 위해 바이트코드 조작 기술(CGLIB)을 사용합니다

CGLIB(Code Generation Libary, 바이트 코드 조작 기술)

✔️ CGLIB
      ↳ 기존 클래스를 상속받아 기능을 추가한 새로운 클래스를 런타임에 자동으로 생성

즉 AppConfig 클래스를 그대로 사용하는 것이 아닌, AppConfig를 상속받은 가짜(자식) 클래스를 만들어 사용합니다.

이 가짜 클래스가 하는 일은 딱 하나입니다. 

✔️@Bean 메서드를 호출할 때마다 확인
1. 스프링이 먼저 컨테이너 확인
2. 이미 생성된 빈이 있으면 → 해당 객체 반환
3. 없으면 → 생성 후 저장

프록시(Proxy)

💡 프록시(Proxy)
      ↳ 프록시의 뜻은 대리, 대리인으로 클라이언트와 서버 사이에서 요청을 대신 처리해주는 중간 서버라는 의미
        진짜 객체 대신 가짜 객체가 앞에서서 요청을 대신 처리하여 실제 객체에 대한 접근 제어 혹은 부가 기능 추가

✔️ 프록시 사용 전
    클라이언트 → AppConfig (진짜)

✔️ 프록시 사용 후
클라이언트 → AppConfig@CGLIB (가짜) → AppConfig (진짜)

위와 같이 동작 흐름으로 memberRepository()를 여러 번 호출해도 항상 같은 객체가 반환되기에 싱글톤이 보장됩니다.

💡 스프링은 @Configuration을 사용하면 CGLIB를 통해 설정 클래스를 확장하고,
     @Bean 메서드를 가로채어 가 항상 같은 객체를 반환하도록 만들어 싱글톤을 보장한다.

*만약 @Configuration을 뺀다면 CGLIB가 적용이 되지 않아, 일반 자바 클래스처럼 동작