[Spring] 스프링의 싱글톤 컨테이너 (싱글톤 패턴의 필요성과 문제점과 주의점, @Configuration)

인프런 - 스프링 핵심 원리 기본편 정리

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싱글톤 패턴에 기반하여, 하나의 인스턴스만 생성하여 공유하는 스프링의 싱글톤 컨테이너에 대해 이해해보자.

싱글톤이 왜 등장했는가?

스프링은 기업용 온라인 서비스 기술을 지원하기 위해 탄생했으며, 대부분의 스프링 애플리케이션은 웹 애플리케이션이다. 스프링과 같은 웹 애플리케이션은 보통 여러 클라이언트가 동시에 요청을 하는데, 각 고객이 요청을 할 때마다 새로운 객체를 생성하는 것은 효율적이지 않다.

 

테스트

지난번 스프링이 없는 순수한 DI 컨테이너인 AppConfig는 요청을 할 때마다 새로운 객체를 생성한다. 아래의 테스트 코드를 통해 memberService를 호출할 때마다 AppConfig의 memberServiceImpl 구현체 매번 생성하고 있음을 확인할 수 있다.

 

고객 트래픽이 초당 몇 백, 몇 천이 되는 경우, 초당 몇 백, 몇 천 객체가 생성되고 소멸되는데, 이러한 과정을 반복하게 되면 메모리 낭비가 매우 심하다. 이를 해결하기 위해, 해당 객체가 딱 1개만 생성되어 해당 인스턴스를 서로 공유하여 사용수 있도록 설계하여 효율적으로 개발하는 디자인 패턴인 싱글톤 패턴이 등장한 것이다.

싱글톤 패턴

싱글톤 패턴은 클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴이다.
우리는 객체 인스턴스를 2개 이상 생성하지 못하도록 막아야 한다.

• private 생성자를 사용해서 외부에서 임의로 new 키워드로 사용하지 못하도록 하는 방법을 사용하면 된다.

이제 싱글톤 패턴에 기반한 테스트 클래스를 하나 만들어보자.
싱글톤 패턴을 구현하는 방법에는 여러가지가 있는데, 객체를 미리 생성해두는 가장 단순하고 안전한 방법을 이용해 이를 구현해보자.

1. SingletonService 클래스에 대하여, 내부에 private static final 형으로 자기 자신의 인스턴스 객체를 미리 생성하여 이를 참조하는 instance 변수를 선언해보자. 이제 SingletonService 클래스에 대해서는 딱 하나의 인스턴스만 static 영역에 존재하게 된다.

2. 외부에서 해당 인스턴스를 조회하기 위한 getInstance() 메서드

3. 생성자 로는 private 키워드를 사용하여 외부에서 new 키워드를 사용한 객체를 생성하지 못하도록 막는다.

테스트

위 SingletonService의 인스턴스를 호출할 때마다 두 객체가 동일한지 아래 테스트를 통해 확인할 수 있다.

 

위와 같은 싱글톤 패턴을 적용하면, 고객의 요청이 올 때마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 사용할 수 있다.

싱글톤 패턴의 문제점들

그러나 이러한 싱글톤 패턴에도 아래와 같은 여러 문제점이 있다.

• 싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어감 (private static 인스턴스 생성, private 생성자, 인스턴스를 꺼내는 메서드 등)
• 의존 관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존하므로 DIP를 위반한다.
• 클라이언트가 구체 클래스에 의존하므로, OCP 원칙을 위반할 가능성이 높다.
• 유연한 테스트의 어려움
• 내부 속성을 변경하거나 초기화하기 어렵다.
• private 생성자로, 자식 클래스를 만들기 어렵다
• 결론적으로 유연성이 떨어지며, 안티 패턴으로 불리기도 한다.

 

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스프링 프레임워크의 싱글톤 컨테이너 역할

스프링 프레임워크의 스프링 컨테이너는 위의 싱글톤 패턴의 문제점을 모두 해결하면서, 객체 인스턴스를 싱글톤(1개만 생성)으로 관리한다.
바로 스프링 빈이 바로 싱글톤으로 관리되는 빈이다.

싱글톤 컨테이너란?

스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴을 적용하지 않아도, 객체 인스턴스를 스스로 싱글톤으로 관리한다.
이전에 학습한 스프링 컨테이너의 생성 단계 에서, 1) 스프링 빈 등록 단계가 있었고, 2) 스프링 빈 의존 관계 를 준비하고 설정하는 단계가 있었다. 이 때 컨테이너는 각 객체를 하나만 생성해서 관리한다.
이렇게 스프링 컨테이너가 싱글톤 객체를 생성하고 관리하는 싱글톤 컨테이너의 역할을 하는 기능을 싱글톤 레지스트리라 한다. 이러한 기능 덕분에, 스프링은 싱글톤 패턴의 모든 단점을 해결하면서 객체를 싱글톤으로 유지한다.



따라서 아래와 같이 스프링 컨테이너 덕분에, 고객의 요청이 올 때마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유하여 효율적으로 재사용할 수 있게 된다.

 

 

스프링 싱글톤 컨테이너를 얻는 이점

• 싱글톤 패턴을 위한 지저분한 코드가 들어가지 않아도 된다.
• DIP, OCP, 유연한 테스트를 가능하게 하며, private 생성자로부터 자유롭게 싱글톤을 사용할 수 있다.

테스트

이제 AppConfig를 통한 순수한 DI 컨테이너가 아닌, ApplicationContext를 통한 스프링 컨테이너를 통한 인스턴스 생성을 통해, 동일한 객체 하나만을 생성하는지 확인해보자.

 

 

 

스프링 컨테이너는 어떻게 싱글톤을 보장하는 것일까?

(@Configuration을 통한 싱글톤 패턴 보장)

스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리다. 따라서 스프링 빈이 싱글톤이 되도록 보장해주어야 하는데, 그 내부 원리를 이해해보자.

 

이전에 작성한 AppConfig 구성 정보의 자바 코드를 다시 살펴보면, memberService() 메서드가 총 3번 호출되며 빈 객체가 총 3개 생성되어야 하지만, 실제로는 딱 한 개의 인스턴스만 생성하여 싱글톤을 보장한다.


스프링은 CGLIB 이라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용하여 AppConfig 클래스를 상속받은 임의의 다른 클래스를 만들고, 해당 클래스를 스프링 빈으로 등록한다. 그리고 스프링 빈으로 등록된 자식 클래스가 바로 싱글톤이 보장되도록 해준다.

AppConfig@CGLIB 은 직접 작성하여 만든 AppConfig 클래스에 추가적인 코드를 덧붙여 아래의 예상 바이트 코드를 조작하여 실행을 한다.
@Bean이 붙은 메서드마다 1) 이미 스프링 빈이 존재한다면 존재하는 빈을 반환하고, 2) 스프링 빈에 등록되지 않았다면 해당 인스턴스를 생성하여 스프링 빈으로 등록하여 반환하는 코드가 동적으로 만들어, 싱글톤을 보장한다.

@Bean
public MemberRepository memberRepository(){

    if (memoryMemberRepository가 이미 스프링 컨테이너에 등록되어 있다면?){
        return 스프링 컨테이너에서 찾아서 반환;
    }
    else { // 스프링 컨테이너에 아직 없으면
        기존 로직을 호출해 MemoryMemberRepository를 생성하고 스프링 컨테이너에 등록 후
        반환
    }
}

아래 @Configuration의 설명에 나온 바와 같이, @Configuration 어노테이션을 통해 동적으로 컨테이너에 등록되어 있는 빈(@Bean을 통한 등록)인지 아닌지의 여부에 따라 새로 인스턴스를 생성 여부를 결정하게 된다.

 

 

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싱글톤 방식의 주의점

객체 인스턴스를 하나만 생성해서 공유하는 싱글톤 방식은 여러 클라이언트가 하나의 객체 인스턴스를 공유하기 때문에 무상태(stateless)로 설계를 해야 한다.

무상태(stateless)로 설계한다는 것이 무엇인가?

• 상태를 유지(stateful) 하지 않음
• 특정 클라이언트에 의존적인 필드가 있으면 안 된다.
• 특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드가 있으면 안 된다.
• 가급적 읽기만 가능해야 한다.
• 필드 대신에 자바에서 공유되지 않는 지역 변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용해야 한다.

 

무상태 설계 실패 예시 코드

상태를 유지하는 필드를 포함한 싱글톤 설계는 다음과 같다.
다음은 여러 클라이언트가 동시에 주문 요청을 하여, 공유되는 인스턴스의 필드 price의 변경이 일어나는 순간 문제가 발생하는 설계이다.

 

위의 설계를 상태를 유지하지 않는 무상태 설계로 변경하려면,
다음과 같이 공유되는 변수를 제거해야 하며 메서드 내에서만 해당 지역 변수만을 사용할 수 있도록 바꾸어야 한다.