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싱글톤 컨테이너

웹 애플리케이션과 싱글톤

  • 스프링은 태생이 기업용 온라인 서비스 기술을 지원하기 위해 탄생
  • 대부분의 스프링 애플리케이션은 웹 애플리케이션. 물론 웹이 아닌 애플리케이션 개발도 얼마든지 개발 가능
  • 웹 애플리케이션은 보통 여러 고객이 동시에 요청

싱글톤 컨테이너 - 01 웹 애플리케이션과 싱글톤

스프링 없는 순수한 DI 컨테이너 테스트

public class SingletonTest {
@Test
@DisplayName("스프링 없는 순수한 DI 컨테이너")
  
    void pureContainer() {
      
        AppConfig appConfig = new AppConfig();
        //1. 조회: 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService1 = appConfig.memberService();
      
        //2. 조회: 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService2 = appConfig.memberService();
      
        //참조값이 다른 것을 확인
        System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
        System.out.println("memberService2 = " + memberService2);
      
        //memberService1 != memberService2
        assertThat(memberService1).isNotSameAs(memberService2);
    }
}
  • 우리가 만들었던 스프링 없는 순수한 DI 컨테이너인 AppConfig는 요청을 할 때 마다 객체를 새로 생성
  • 고객 트래픽이 초당 100이 나오면 초당 100개 객체가 생성되고 소멸 → 메모리 낭비가 심함
  • 해당 객체가 딱 1개만 생성되고, 공유하도록 설계 → 싱글톤 패턴

싱글톤 패턴

  • 클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴
  • 그래서 객체 인스턴스를 2개 이상 생성하지 못하도록 막아야 함
    • private 생성자를 사용해서 외부에서 임의로 new 키워드를 사용하지 못하도록 함

싱글톤 패턴을 적용한 예제

public class SingletonService {
  
    //1. static 영역에 객체를 딱 1개만 생성해둔다.
    private static final SingletonService instance = new SingletonService();
  
    //2. public으로 열어서 객체 인스터스가 필요하면 이 static 메서드를 통해서만 조회하도록 허용한다.
    public static SingletonService getInstance() {
      return instance;
    }
  
    //3. 생성자를 private으로 선언해서 외부에서 new 키워드를 사용한 객체 생성을 못하게 막는다.
    private SingletonService() {
    }
  
    public void logic() {
        System.out.println("싱글톤 객체 로직 호출");
    }
}
  1. static 영역에 객체 instance를 미리 하나 생성해서 적재
  2. 이 객체 인스턴스가 필요하면 오직 getInstance() 메서드를 통해서만 조회할 수 있음. 이 메서드를 호출하면 항상 같은 인스턴스를 반환
  3. 딱 1개의 객체 인스턴스만 존재해야 하므로, 생성자를 private으로 막아서 혹시라도 외부에서 new 키워드로 객체 인스턴스가 생성되는 것을 방지

싱글톤 패턴을 사용하는 테스트 코드

@Test
@DisplayName("싱글톤 패턴을 적용한 객체 사용")
public void singletonServiceTest() {
  
    //private으로 생성자를 막아두었다. 컴파일 오류가 발생한다.
    //new SingletonService();
  
    //1. 조회: 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
    SingletonService singletonService1 = SingletonService.getInstance();
    //2. 조회: 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
    SingletonService singletonService2 = SingletonService.getInstance();
  
    //참조값이 같은 것을 확인
    System.out.println("singletonService1 = " + singletonService1);
    System.out.println("singletonService2 = " + singletonService2);
  
    // singletonService1 == singletonService2
    assertThat(singletonService1).isSameAs(singletonService2);
    singletonService1.logic();
}
  • private으로 new 키워드를 막아둠
  • 호출할 때 마다 같은 객체 인스턴스를 반환하는 것을 확인

    참고: 싱글톤 패턴을 구현하는 방법은 여러 가지가 있으나 여기서는 객체를 미리 생성해두는 가장 단순하고 안전한 방법을 선택

싱글톤 패턴을 적용하면 고객의 요청이 올 때 마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 사용할 수 있음. 하지만 싱글톤 패턴은 다음과 같은 수 많은 문제점들을 가지고 있음

싱글톤 패턴 문제점

  • 싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어감
  • 의존관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존하므로 DIP를 위반
  • 클라이언트가 구체 클래스에 의존해서 OCP 원칙을 위반할 가능성이 높음
  • 테스트하기 어려움
  • 내부 속성을 변경하거나 초기화 하기 어려움
  • private 생성자로 자식 클래스를 만들기 어려움
  • 결론적으로 유연성이 떨어져 안티패턴으로 불리기도 함

싱글톤 컨테이너

스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴의 문제점을 해결하면서, 객체 인스턴스를 싱글톤(1개만 생성)으로 관리 지금까지 우리가 학습한 스프링 빈이 바로 싱글톤으로 관리되는 빈

싱글톤 컨테이너

  • 스프링 컨테이너는 싱글턴 패턴을 적용하지 않아도, 객체 인스턴스를 싱글톤으로 관리
  • 이전에 설명한 컨테이너 생성 과정을 자세히 보면, 컨테이너는 객체를 하나만 생성해서 관리
  • 스프링 컨테이너는 싱글톤 컨테이너 역할. 이렇게 싱글톤 객체를 생성하고 관리하는 기능을 싱글톤 레지스트리라고 함
  • 스프링 컨테이너의 이런 기능 덕분에 싱글턴 패턴의 모든 단점을 해결하면서 객체를 싱글톤으로 유지할 수 있음
    • 싱글톤 패턴을 위한 지저분한 코드가 들어가지 않아도 됨
    • DIP, OCP, 테스트, private 생성자로부터 자유롭게 싱글톤을 사용할 수 있음

스프링 컨테이너를 사용하는 테스트 코드

@Test
@DisplayName("스프링 컨테이너와 싱글톤")
void springContainer() {
  
    ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
  
    //1. 조회: 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
    MemberService memberService1 = ac.getBean("memberService", MemberService.class);
  
    //2. 조회: 호출할 때 마다 같은 객체를 반환
    MemberService memberService2 = ac.getBean("memberService", MemberService.class);
  
    //참조값이 같은 것을 확인
    System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
    System.out.println("memberService2 = " + memberService2);
  
    //memberService1 == memberService2
    assertThat(memberService1).isSameAs(memberService2);
}

싱글톤 컨테이너 적용 후 싱글톤 컨테이너 - 02 싱글톤 컨테이너

스프링 컨테이너 덕분에 고객의 요청이 올 때 마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 재사용 가능

참고: 스프링의 기본 빈 등록 방식은 싱글톤이지만, 싱글톤 방식만 지원하는 것은 아니다. 요청할 때마다 새로운 객체를 생성해서 반환하는 기능도 제공한다.

싱글톤 방식의 주의점

  • 싱글톤 패턴이든, 스프링 같은 싱글톤 컨테이너를 사용하든, 객체 인스턴스를 하나만 생성해서 공유하는 싱글톤 방식은 여러 클라이언트가 하나의 같은 객체 인스턴스를 공유하기 때문에 싱글톤 객체는 상태를 유지(stateful)하게 설계하면 안됨
  • 무상태(stateless)로 설계해야 함
    • 특정 클라이언트에 의존적인 필드가 있으면 안됨
    • 특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드가 있으면 안됨
    • 가급적 읽기만 가능해야 함
    • 필드 대신에 자바에서 공유되지 않는, 지역변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용해야 함
  • 스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 정말 큰 장애가 발생할 수 있음

상태를 유지할 경우 발생하는 문제점 예시

public class StatefulService {
  
    private int price; //상태를 유지하는 필드
  
    public void order(String name, int price) {
        System.out.println("name = " + name + " price = " + price);
        this.price = price; //여기가 문제!
    }
  
    public int getPrice() {
        return price;
    }
}

상태를 유지할 경우 발생하는 문제점 예시

public class StatefulServiceTest {
  
    @Test
    void statefulServiceSingleton() {
        ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(TestConfig.class);
        StatefulService statefulService1 = ac.getBean("statefulService", StatefulService.class);
        StatefulService statefulService2 = ac.getBean("statefulService", StatefulService.class);
      
        //ThreadA: A사용자 10000원 주문
        statefulService1.order("userA", 10000);
        //ThreadB: B사용자 20000원 주문
        statefulService2.order("userB", 20000);
      
        //ThreadA: 사용자A 주문 금액 조회
        int price = statefulService1.getPrice();
        //ThreadA: 사용자A는 10000원을 기대했지만, 기대와 다르게 20000원 출력
        System.out.println("price = " + price);
          Assertions.assertThat(statefulService1.getPrice()).isEqualTo(20000);
    }
  
    static class TestConfig {
      
        @Bean
        public StatefulService statefulService() {
            return new StatefulService();
        }
    }
}
  • 최대한 단순히 설명하기 위해, 실제 쓰레드는 사용하지 않음
  • ThreadA가 사용자A 코드를 호출하고 ThreadB가 사용자B 코드를 호출한다 가정
  • StatefulServiceprice 필드는 공유되는 필드인데, 특정 클라이언트가 값을 변경
  • 사용자A의 주문금액은 10000원이 되어야 하는데, 20000원이라는 결과
  • 스프링 빈은 항상 무상태(stateless)로 설계

@Configuration과 싱글톤

@Configuration
public class AppConfig {
  
    @Bean
    public MemberService memberService() {
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }
  
    @Bean
    public OrderService orderService() {
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }
  
    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        return new MemoryMemberRepository();
    }
    ...
}
  • memberService 빈을 만드는 코드를 보면 memberRepository()를 호출
    • 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository()를 호출
  • orderService 빈을 만드는 코드도 동일하게 memberRepository()를 호출
    • 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository()를 호출

결과적으로 각각 다른 2개의 MemoryMemberRepository가 생성되면서 싱글톤이 깨지는 것처럼 보임. 스프링 컨테이너가 이 문제를 어떻게 해결하는 방법은?

검증 용도의 코드 추가

public class MemberServiceImpl implements MemberService {
  
    private final MemberRepository memberRepository;
  
    //테스트 용도
    public MemberRepository getMemberRepository() {
        return memberRepository;
    }
}

public class OrderServiceImpl implements OrderService {
    private final MemberRepository memberRepository;
  
    //테스트 용도
    public MemberRepository getMemberRepository() {
        return memberRepository;
    }
}
  • 테스트를 위해 MemberRepository를 조회할 수 있는 기능을 추가. 기능 검증을 위해 잠깐 사용하는 것이니 인터페이스에 조회기능을 추가하지는 않음

테스트 코드

public class ConfigurationSingletonTest {
  
    @Test
    void configurationTest() {
        ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
        MemberServiceImpl memberService = ac.getBean("memberService", MemberServiceImpl.class);
        OrderServiceImpl orderService = ac.getBean("orderService", OrderServiceImpl.class);
        MemberRepository memberRepository = ac.getBean("memberRepository", MemberRepository.class);
      
        //모두 같은 인스턴스를 참고하고 있다.
        System.out.println("memberService -> memberRepository = " + memberService.getMemberRepository());
        System.out.println("orderService -> memberRepository = " + orderService.getMemberRepository());
        System.out.println("memberRepository = " + memberRepository);
      
        //모두 같은 인스턴스를 참고하고 있다.
        assertThat(memberService.getMemberRepository()).isSameAs(memberRepository);
        assertThat(orderService.getMemberRepository()).isSameAs(memberRepository);
    }
}
  • 확인해보면 memberRepository 인스턴스는 모두 같은 인스턴스가 공유되어 사용됨
  • AppConfig의 자바 코드를 보면 분명히 각각 2번 new MemoryMemberRepository 호출해서 다른 인스턴스가 생성되어야 하는데?

AppConfig에 호출 로그 남김

@Configuration
public class AppConfig {
  
    @Bean
    public MemberService memberService() {
        //1번
        System.out.println("call AppConfig.memberService");
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }
  
    @Bean
    public OrderService orderService() {
        //1번
        System.out.println("call AppConfig.orderService");
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }
  
    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        //2번? 3번?
        System.out.println("call AppConfig.memberRepository");
        return new MemoryMemberRepository();
    }
  
    @Bean
    public DiscountPolicy discountPolicy() {
        return new RateDiscountPolicy();
    }
}

스프링 컨테이너가 각각 @Bean을 호출해서 스프링 빈을 생성. 그래서 memberRepository()는 다음과 같이 총 3번이 호출되어야 하는 것 아닐까?

  1. 스프링 컨테이너가 스프링 빈에 등록하기 위해 @Bean이 붙어있는 memberRepository() 호출
  2. memberService() 로직에서 memberRepository() 호출
  3. orderService() 로직에서 memberRepository() 호출

출력 결과 모두 1번만 호출됨

call AppConfig.memberService
call AppConfig.memberRepository
call AppConfig.orderService

@Configuration과 바이트코드 조작의 마법

스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리. 따라서 스프링 빈이 싱글톤이 되도록 보장해주어야 한다. 그런데 스프링이 자바 코드까지 어떻게 하기는 어려움. 저 자바 코드를 보면 분명 3번 호출되어야 하는 것이 정상. 그래서 스프링은 클래스의 바이트코드를 조작하는 라이브러리를 사용함 모든 비밀은 @Configuration을 적용한 AppConfig에 있음

예시

@Test
void configurationDeep() {
    ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
  
    //AppConfig도 스프링 빈으로 등록된다.
    AppConfig bean = ac.getBean(AppConfig.class);
  
    System.out.println("bean = " + bean.getClass());
    //출력: bean = class hello.core.AppConfig$$EnhancerBySpringCGLIB$$bd479d70
}
  • 사실 AnnotationConfigApplicationContext에 파라미터로 넘긴 값은 스프링 빈으로 등록. 그래서 AppConfig도 스프링 빈이 됨
  • AppConfig 스프링 빈을 조회해서 클래스 정보를 출력
bean = class hello.core.AppConfig$$EnhancerBySpringCGLIB$$bd479d70

순수한 클래스라면 다음과 같이 출력되어야 함 class hello.core.AppConfig

그런데 예상과는 다르게 클래스 명에 xxxCGLIB가 붙으면서 상당히 복잡해짐. 스프링은 개발자가 만든 클래스가 아니라 스프링이 CGLIB라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용해서 AppConfig 클래스를 상속받은 임의의 다른 클래스를 만들고, 그 다른 클래스를 스프링 빈으로 등록함

싱글톤 컨테이너 - 03 @Configuration

그 임의의 다른 클래스가 바로 싱글톤을 보장함. 아마도 다음과 같이 바이트 코드를 조작해서 작성되어 있음.(실제로는 CGLIB의 내부 기술을 사용하는데 매우 복잡)

AppConfig@CGLIB 예상 코드

@Bean
public MemberRepository memberRepository() {
  
    if (memoryMemberRepository가 이미 스프링 컨테이너에 등록되어 있으면?) {
        return 스프링 컨테이너에서 찾아서 반환;
    } else { //스프링 컨테이너에 없으면
        기존 로직을 호출해서 MemoryMemberRepository를 생성하고 스프링 컨테이너에 등록
        return 반환
    }
}
  • @Bean이 붙은 메서드마다 이미 스프링 빈이 존재하면 존재하는 빈을 반환하고, 스프링 빈이 없으면 생성해서 스프링 빈으로 등록하고 반환하는 코드가 동적으로 생성

참고 AppConfig@CGLIB는 AppConfig의 자식 타입이므로, AppConfig 타입으로 조회 가능

@Configuration을 적용하지 않고, @Bean만 적용하면? @Configuration을 붙이면 바이트코드를 조작하는 CGLIB 기술을 사용해서 싱글톤을 보장하지만, 만약 @Bean만 적용하면?

//@Configuration 삭제
public class AppConfig {
}

실행 결과

bean = class hello.core.AppConfig

이 출력 결과를 통해서 AppConfig가 CGLIB 기술 없이 순수한 AppConfig로 스프링 빈에 등록된 것을 확인할 수 있음

출력 결과

call AppConfig.memberService
call AppConfig.memberRepository
call AppConfig.orderService
call AppConfig.memberRepository
call AppConfig.memberRepository

이 출력 결과를 통해서 MemberRepository가 총 3번 호출된 것을 알 수 있음. 1번은 @Bean에 의해 스프링 컨테이너에 등록하기 위해서이고, 2번은 각각 memberRepository()를 호출하면서 발생한 코드

인스턴스가 같은지 테스트 결과

memberService -> memberRepository = hello.core.member.MemoryMemberRepository@6239aba6
orderService -> memberRepository =
hello.core.member.MemoryMemberRepository@3e6104fc
memberRepository = hello.core.member.MemoryMemberRepository@12359a82

당연히 인스턴스가 같은지 테스트 하는 코드도 실패하고, 각각 다 다른 MemoryMemberRepository 인스턴스를 가지고 있음

정리

  • @Bean만 사용해도 스프링 빈으로 등록되지만, 싱글톤을 보장하지 않음
  • memberRepository() 처럼 의존관계 주입이 필요해서 메서드를 직접 호출할 때 싱글톤을 보장하지 않음
  • 스프링 설정 정보는 항상 @Configuration을 사용