Singleton

Singleton은 클래스가 오직 하나의 인스턴스만 갖도록 보장하면서 이 인스턴스에 대한 전역 접근점을 제공하는 생성 디자인 패턴입니다.

Intent

Singleton 패턴은 두 가지 문제를 동시에 해결합니다:

1. 클래스에 인스턴스가 하나만 있도록 보장: 데이터베이스나 파일 같은 공유 리소스에 대한 접근을 제어할 때 유용합니다.
2. 해당 인스턴스에 대한 전역 접근점 제공: 전역 변수처럼 어디서든 접근할 수 있지만, 덮어쓰기로부터 보호됩니다.

Problem

Singleton 패턴은 Single Responsibility Principle을 위반하여 두 가지 문제를 동시에 해결합니다:

단일 인스턴스 보장

일반 생성자는 항상 새로운 객체를 반환하므로, 생성자 호출만으로는 단일 인스턴스를 보장할 수 없습니다. 데이터베이스 연결이나 파일 시스템 접근 같은 공유 리소스를 제어하려면 단일 인스턴스가 필요합니다.

전역 접근점 제공

전역 변수는 편리하지만 위험합니다. 어떤 코드든 변수의 내용을 덮어쓸 수 있어 앱이 충돌할 수 있습니다. Singleton은 이 문제를 해결합니다.

Solution

모든 Singleton 구현에는 두 가지 공통 단계가 있습니다:

1. 기본 생성자를 private으로 설정: 다른 객체가 new 연산자를 사용하지 못하도록 합니다.
2. 정적 생성 메서드 제공: 생성자 역할을 하며, 내부적으로 private 생성자를 호출하여 객체를 생성하고 정적 필드에 저장합니다. 이후 모든 호출은 캐시된 객체를 반환합니다.

Real-World Analogy

정부가 Singleton 패턴의 좋은 예시입니다:

• 한 국가에는 하나의 공식 정부만 있습니다
• 정부를 구성하는 개인이 바뀌어도 “X국 정부”라는 명칭은 동일합니다
• 이 명칭은 해당 인스턴스에 대한 전역 접근점입니다

Structure

Pseudocode

데이터베이스 연결을 관리하는 Singleton 예시:

class Database {
  private static instance: Database | null = null;

  // private 생성자로 외부에서 직접 인스턴스 생성 방지
  private constructor() {
    // 데이터베이스 초기화 코드
    console.log("Database connection initialized");
  }

  // 인스턴스를 가져오는 정적 메서드
  public static getInstance(): Database {
    if (Database.instance === null) {
      Database.instance = new Database();
    }
    return Database.instance;
  }

  public query(sql: string): void {
    console.log(`Executing query: ${sql}`);
    // 데이터베이스 쿼리 로직
  }
}

// 클라이언트 코드
class Application {
  main(): void {
    const foo = Database.getInstance();
    foo.query("SELECT * FROM users");

    const bar = Database.getInstance();
    bar.query("SELECT * FROM products");

    // foo와 bar는 동일한 객체를 참조
    console.log(foo === bar); // true
  }
}

Thread-Safe 구현

멀티스레드 환경에서는 동시에 여러 스레드가 인스턴스를 생성하려 할 수 있습니다:

class ThreadSafeDatabase {
  private static instance: ThreadSafeDatabase | null = null;
  private static lock = new Object();

  private constructor() {
    // 초기화 코드
  }

  public static getInstance(): ThreadSafeDatabase {
    // Double-checked locking
    if (ThreadSafeDatabase.instance === null) {
      // synchronized(ThreadSafeDatabase.lock) {
        if (ThreadSafeDatabase.instance === null) {
          ThreadSafeDatabase.instance = new ThreadSafeDatabase();
        }
      // }
    }
    return ThreadSafeDatabase.instance;
  }
}

Applicability

다음의 경우에 패턴을 사용합니다:

단일 인스턴스가 필요할 때

프로그램의 모든 클라이언트가 공유하는 단일 인스턴스가 필요할 때 사용합니다. 예: 데이터베이스 연결, 로그 관리자 등.

전역 변수를 엄격하게 제어할 때

일반 전역 변수와 달리 Singleton은 인스턴스가 하나만 존재함을 보장합니다. Singleton 클래스만 캐시된 인스턴스를 교체할 수 있습니다.

How to Implement

1. 정적 필드 추가: Singleton 인스턴스를 저장할 private static 필드를 클래스에 추가합니다.

2. 정적 생성 메서드 선언: Singleton 인스턴스를 가져오는 public static 메서드를 선언합니다.

3. 지연 초기화 구현: 메서드 내에서 첫 호출 시 새 객체를 생성하고 정적 필드에 저장합니다. 이후 모든 호출은 이 객체를 반환합니다.

4. 생성자를 private으로: 클래스 생성자를 private으로 만듭니다. 정적 메서드만 이 생성자를 호출할 수 있습니다.

5. 클라이언트 코드 수정: 생성자 직접 호출을 정적 생성 메서드 호출로 대체합니다.

Pros and Cons

장점

단점

Relations with Other Patterns

출처: refactoring.guru - Singleton