Spring/핵심 원리

[Spring] 싱글톤 컨테이너

lumana 2024. 8. 7. 07:22

싱글톤 컨테이너

웹 애플리케이션과 싱글톤

스프링은 태생이 기업용 온라인 서비스 기술을 지원하기 위해 탄생했다.
대부분의 스프링 애플리케이션은 웹 애플리케이션이다. 물론 웹이 아닌 애플리케이션 개발도 얼마든지 개발할 수 있다.
웹 애플리케이션은 보통 여러 고객이 동시에 요청을 한다.

스프링 없는 순수한 DI 컨테이너 테스트

package hello.core.singleton;

import hello.core.AppConfig;
import hello.core.member.MemberService;
import org.junit.jupiter.api.DisplayName;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;

import static org.assertj.core.api.Assertions.assertThat;

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 생성한다.
고객 트래픽이 초당 100이 나오면 초당 100개 객체가 생성되고 소멸된다! ==> 메모리 낭비가 심하다.
해결방안은 해당 객체가 딱 1개만 생성되고, 공유하도록 설계하면 된다. ==> 싱글톤 패턴

싱글톤 패턴

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

예제 코드

main이 아닌 test 위치에 생성하자.

package hello.core.singleton;

public class SingletonService {
    // 1. static 영역에 객체를 딱 1개만 생성해둔다.
    private static final SingletonService instance = new SingletonService();
    // 2. public으로 열어서 객체 인스턴스가 필요하면 이 static 메서드를 통해서만 조회하도록 허용한 다.
    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");
    }
}

static 영역에 객체 instance를 미리 하나 생성해서 올려둔다.
이 객체 인스턴스가 필요하면 오직 getInstance() 메서드를 통해서만 조회할 수 있다. 이 메서드를 호출하면 항상 같은 인스턴스를 반환한다.
딱 1개의 객체 인스턴스만 존재해야 하므로, 생성자를 private으로 막아서 혹시라도 외부에서 new 키워드로 객체 인스턴스가 생성되는 것을 막는다.

싱글톤 패턴을 사용하는 테스트 코드

package hello.core.singleton;

import hello.core.AppConfig;
import hello.core.member.MemberService;
import org.junit.jupiter.api.DisplayName;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;

import static org.assertj.core.api.Assertions.assertThat;

public class SingletonTest {
    @Test
    @DisplayName("싱글톤 패턴을 적용한 객체 사용")
    void singletonServiceTest() {
        // 다음은 불가능
        // 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();

        System.out.println("singletonService1 = " + singletonService1);
        System.out.println("singletonService2 = " + singletonService2);

        // isSameAs : ==
        // isEqualsTo : equals()
        // singletonService1 == singletonService2
        assertThat(singletonService1).isSameAs(singletonService2);
        // same은 자바의 == 에 해당. 인스턴스 비교
        // equal은 오버라이딩한 equals 메서드로 비교하는 것
    }
}

private으로 new 키워드를 막아두었다.
호출할 때 마다 같은 객체 인스턴스를 반환하는 것을 확인할 수 있다.
참고) 싱글톤 패턴을 구현하는 방법은 여러가지가 있다. 여기서는 객체를 미리 생성해두는 가장 단순하고 안전한 방법을 선택했다.

싱글톤 패턴 문제점

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

싱글톤 패턴을 구현하는 코드 자체가 많이 들어간다.
의존관계상 클라이언트가 구체 클래스에 의존한다. ==> DIP를 위반한다.
- 클라이언트가 구체클래스.getInstance()로 꺼내야 한다.
클라이언트가 구체 클래스에 의존해서 OCP 원칙을 위반할 가능성이 높다.
테스트하기 어렵다.
내부 속성을 변경하거나 초기화 하기 어렵다.
private 생성자로 자식 클래스를 만들기 어렵다.
결론적으로 유연성이 떨어진다.
- DI를 적용하기 어려움
안티패턴으로 불리기도 한다.

싱글톤 컨테이너

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

스프링 컨테이너는 싱글턴 패턴을 적용하지 않아도, 객체 인스턴스를 싱글톤으로 관리한다.
- 이전에 설명한 컨테이너 생성 과정을 자세히 보자. 컨테이너는 객체를 하나만 생성해서 관리한다.
스프링 컨테이너는 싱글톤 컨테이너 역할을 한다. 이렇게 싱글톤 객체를 생성하고 관리하는 기능을 싱글톤 레지스트리라 한다.
스프링 컨테이너의 이런 기능 덕분에 싱글턴 패턴의 모든 단점을 해결하면서 객체를 싱글톤으로 유지할 수 있다.
- 싱글톤 패턴을 위한 지저분한 코드가 들어가지 않아도 된다.
- DIP, OCP, 테스트, private 생성자로 부터 자유롭게 싱글톤을 사용할 수 있다.

스프링 컨테이너를 사용하는 테스트 코드

package hello.core.singleton;

import hello.core.AppConfig;
import hello.core.member.MemberService;
import org.junit.jupiter.api.DisplayName;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;

import static org.assertj.core.api.Assertions.assertThat;

public class SingletonTest {

    @Test
    @DisplayName("스프링 컨테이너와 싱글톤")
    void springContainer() {
        // AppConfig appConfig = new AppConfig();
        ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
        // 1. 조회 : 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService1 = ac.getBean("memberService", MemberService.class);

        // 2. 조회 : 호출할 때 마다 객체를 생성
        MemberService memberService2 = ac.getBean("memberService", MemberService.class);

        // 참조값이 다른 것을 확인
        System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
        System.out.println("memberService2 = " + memberService2);

        // memberService1 == memberService2
        assertThat(memberService1).isSameAs(memberService2);
    }
}

싱글톤 컨테이너 적용 후

스프링 컨테이너 덕분에 고객의 요청이 올 때 마다 객체를 생성하는 것이 아니라, 이미 만들어진 객체를 공유해서 효율적으로 재사용할 수 있다.
참고: 스프링의 기본 빈 등록 방식은 싱글톤이지만, 싱글톤 방식만 지원하는 것은 아니다. 요청할 때 마다 새로운 객체를 생성해서 반환하는 기능도 제공한다. 자세한 내용은 뒤에 빈 스코프에서 설명하겠다.

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 안된다.
무상태(stateless)로 설계해야 한다!
- 특정 클라이언트에 의존적인 필드가 있으면 안된다.
- 특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드가 있으면 안된다
  - 가급적 읽기만 가능해야 한다. (가급적 값을 수정하지 않아야 한다)
  - 필드 대신에 자바에서 공유되지 않는, 지역변수, 파라미터, ThreadLocal 등을 사용해야 한다.
스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 정말 큰 장애가 발생할 수 있다!!!

상태를 유지할 경우 발생하는 문제점 예시

package hello.core.singleton;

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 void getPrice() {
        return price;
    }
}

package hello.core.singleton;

import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;
import org.springframework.context.annotation.Bean;

import static org.assertj.core.api.Assertions.assertThat;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.*;

class StatefulServiceTest {

    @Test
    void statefulServiceSingleton() {
        AnnotationConfigApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(TestConfig.class);
        StatefulService statefulService1 = ac.getBean(StatefulService.class);
        StatefulService statefulService2 = ac.getBean(StatefulService.class);

        // ThreadA: A 사용자 10000원 주문
        int userAPrice = statefulService1.order("userA", 10000);
        // ThreadB: B 사용자 20000원 주문
        int userBPrice = statefulService2.order("userB", 20000);

        // ThreadA: 사용자 A 주문 금액 조회
        // 기대한 건 만원인데, 실제로는 2만원이 나온다
        int price = statefulService1.getPrice();
        System.out.println("price = " + userAPrice);
        assertThat(statefulService1.getPrice()).isEqualTo(20000);
    }

    static class TestConfig {
        @Bean
        public StatefulService statefulService() {
            return new StatefulService();
        }
    }
}

최대한 단순히 설명하기 위해, 실제 쓰레드는 사용하지 않았다.
ThreadA가 사용자A 코드를 호출하고 ThreadB가 사용자B 코드를 호출한다 가정하자.
StatefulService 의 price 필드는 공유되는 필드인데, 특정 클라이언트가 값을 변경한다.
사용자A의 주문금액은 10000원이 되어야 하는데, 20000원이라는 결과가 나왔다.
실무에서 이런 경우를 종종 보는데, 이로인해 정말 해결하기 어려운 큰 문제들이 터진다.(몇년에 한번씩 꼭 만난다.)
진짜 공유필드는 조심해야 한다! 스프링 빈은 항상 무상태(stateless)로 설계하자.

@Configuration과 싱글톤

그런데 이상한점이 있다. 다음 AppConfig 코드를 보자.

@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 호출한다.
- 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository() 를 호출한다.
orderService 빈을 만드는 코드도 동일하게 memberRepository() 를 호출한다.
- 이 메서드를 호출하면 new MemoryMemberRepository() 를 호출한다.
결과적으로 각각 다른 2개의 MemoryMemberRepository 가 생성되면서 싱글톤이 깨지는 것 처럼 보인다. 스프링 컨테이너는 이 문제를 어떻게 해결할까?

직접 테스트: 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 추가한다. 기능 검증을 위해 잠깐 사용하는 것이니 인터페이스에 조회기능까지 추가하지는 말자.

테스트 코드

package hello.core.singleton;
import hello.core.AppConfig;
import hello.core.member.MemberRepository;
import hello.core.member.MemberServiceImpl;
import hello.core.order.OrderServiceImpl;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import
org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;
import static org.assertj.core.api.Assertions.*;
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 사용된다.
AppConfig의 자바 코드를 보면 분명히 각각 2번 new MemoryMemberRepository 호출해서 다른 인스턴스가 생성되어야 하는데?
어떻게 된 일일까? 혹시 두 번 호출이 안되는 것일까? 실험을 통해 알아보자.

AppConfig에 호출 로그 추가

package hello.core;

import hello.core.discount.DiscountPolicy;
import hello.core.discount.FixDiscountPolicy;
import hello.core.discount.RateDiscountPolicy;
import hello.core.member.MemberService;
import hello.core.member.MemberServiceImpl;
import hello.core.member.MemoryMemberRepository;
import hello.core.order.OrderService;
import hello.core.order.OrderServiceImpl;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Configuration
public class AppConfig {
    // @Bean memberService -> new MemoryMemberRepository()
    // @Bean orderService -> new MemoryMemberRepository()

    //call AppConfig.memberService
    //call AppConfig.memberRepository
    //call AppConfig.memberRepository
    //call AppConfig.orderService
    //call AppConfig.memberRepository
    @Bean
    public MemberService memberService() { // 역할
        System.out.println("call AppConfig.memberService");
        return new MemberServiceImpl(memberRepository()); // 구현
    }
    @Bean
    public MemoryMemberRepository memberRepository() {
        System.out.println("call AppConfig.memberRepository");
        return new MemoryMemberRepository();
    }
    @Bean
    public OrderService orderService() {
        System.out.println("call AppConfig.orderService");
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }
    @Bean
    public DiscountPolicy discountPolicy() {
//        return new FixDiscountPolicy();
        return new RateDiscountPolicy();
    }
}

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

스프링 컨테이너가 스프링 빈에 등록하기 위해 @Bean이 붙어있는 memberRepository() 호출
memberService() 로직에서 memberRepository() 호출
orderService() 로직에서 memberRepository() 호출

그런데 출력 결과는 모두 1번만 호출된다.

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

@Configuration과 바이트코드 조작의 마법

스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리다. 따라서 스프링 빈이 싱글톤이 되도록 보장해주어야 한다. 그런데 스프링이 자바 코드까지 어떻게 하기는 어렵다. 저 자바 코드를 보면 분명 3번 호출되어야 하는 것이 맞다.
그래서 스프링은 클래스의 바이트코드를 조작하는 라이브러리를 사용한다.
모든 비밀은 @Configuration 을 적용한 AppConfig 에 있다.

@Test
    void configuartionDeep() {
        ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
                //AppConfig도 스프링 빈으로 등록된다.
        // 실제로는 AppConfig@CGLIB가 등록이 되어 있다. 부모타입으로 조회하면 자식 타입이 다 끌려 나온다.
        AppConfig bean = ac.getBean(AppConfig.class);

        System.out.println("bean = " + bean.getClass());
                //출력: bean = class hello.core.AppConfig$$EnhancerBySpringCGLIB$$bd479d70
    }

사실 AnnotationConfigApplicationContext 에 파라미터로 넘긴 값은 스프링 빈으로 등록된다. 그래서 AppConfig 도 스프링 빈이 된다.
AppConfig 스프링 빈을 조회해서 클래스 정보를 출력해보자.

bean = class hello.core.AppConfig$$EnhancerBySpringCGLIB$$bd479d70

순수한 클래스라면 다음과 같이 출력되어야 한다.

class hello.core.AppConfig

그런데 예상과는 다르게 클래스 명에 xxxCGLIB가 붙으면서 상당히 복잡해진 것을 볼 수 있다. 이것은 내가 만든 클래스가 아니라 스프링이 CGLIB라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용해서 AppConfig 클래스를 상속받은 임의의 다른 클래스를 만들고, 그 다른 클래스를 스프링 빈으로 등록한 것이다!

그 임의의 다른 클래스가 바로 싱글톤이 보장되도록 해준다. 아마도 다음과 같이 바이트 코드를 조작해서 작성되어 있을 것이다.(실제로는 CGLIB의 내부 기술을 사용하는데 매우 복잡하다.)

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 만들어진다.
덕분에 싱글톤이 보장되는 것이다.
참고) AppConfig@CGLIB는 AppConfig의 자식 타입이므로, AppConfig 타입으로 조회 할 수 있다.
참고) AOP에서도 동일한 매커니즘을 사용한다

`@Configuration` 을 적용하지 않고, `@Bean` 만 적용하면 어떻게 될까?

@Configuration 을 붙이면 바이트코드를 조작하는 CGLIB 기술을 사용해서 싱글톤을 보장하지만, 만약 @Bean만
적용하면 어떻게 될까?

bean = class hello.core.AppConfig

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

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 있다. 1번은 @Bean에 의해 스프링 컨테이너에 등록하기 위해서이고, 2번은 각각 memberRepository() 를 호출하면서 발생한 코드다.

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 있다.

정리

@Bean만 사용해도 스프링 빈으로 등록되지만, 싱글톤을 보장하지 않는다.
- memberRepository() 처럼 의존관계 주입이 필요해서 메서드를 직접 호출할 때 싱글톤을 보장하지 않는다.
크게 고민할 것이 없다. 스프링 설정 정보는 항상 @Configuration 을 사용하자.

+) MemberServiceImpl에 주입되는 MemberRepository는 스프링 빈이 아니다. 프로그래머가 직접 주입한 것과 똑같다.

스프링 컨테이너가 관리하지 않기 때문, OrderServiceImpl도 마찬가지다.

@Configuration을 통해 CGLIB가 이미 스프링 컨테이너에 등록되어 있으면 찾아서 반환해줘서 싱글톤이 보장되었지만, @Configuaration을 사용하지 않으면 쌩 자바코드를 호출하는 것과 똑같다. 스프링 컨테이너가 관리하는 스프링 빈이 아니기 때문에 MemberServiceImpl(new MemoryMemberRepository())를 호출하는 것과 같다.

@Autowired로 자동으로 의존관계 주입하면 해결해줄 수 있는 부분이긴 하다.

Ref) 스프링 핵심 원리 - 기본편 강의 (인프런 김영한)

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싱글톤 패턴을 사용하는 테스트 코드

싱글톤 패턴 문제점

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스프링 컨테이너를 사용하는 테스트 코드

싱글톤 방식의 주의점

상태를 유지할 경우 발생하는 문제점 예시

@Configuration과 싱글톤

직접 테스트: 검증 용도의 코드 추가

테스트 코드

AppConfig에 호출 로그 추가

@Configuration과 바이트코드 조작의 마법

AppConfig@CGLIB 예상 코드

`@Configuration` 을 적용하지 않고, `@Bean` 만 적용하면 어떻게 될까?

인스턴스가 같은지 테스트 결과

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싱글톤 방식의 주의점

상태를 유지할 경우 발생하는 문제점 예시

@Configuration과 싱글톤

직접 테스트: 검증 용도의 코드 추가

테스트 코드

AppConfig에 호출 로그 추가

@Configuration과 바이트코드 조작의 마법

AppConfig@CGLIB 예상 코드

@Configuration 을 적용하지 않고, @Bean 만 적용하면 어떻게 될까?

인스턴스가 같은지 테스트 결과

정리

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`@Configuration` 을 적용하지 않고, `@Bean` 만 적용하면 어떻게 될까?