[Spring] 싱글톤 레지스트지와 Bean Scope

스프링의 애플리케이션 컨텍스트가 관리하는 객체(=Bean)는 일반적인 POJO 객체와는 중요한 차이점이 있다.

예를들어서 아래의 두 코드는 언뜻보면 비슷해보이지만, 큰 차이가 있다.

public class AppConfig {

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

    public OrderService orderService() {
        return new OrderServiceImpl(new MemoryMemberRepository(), new FixDiscountPolicy());
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }

    private MemberRepository memberRepository() {
        return new MemoryMemberRepository();
    }

    public DiscountPolicy discountPolicy() {
        return new FixDiscountPolicy();
    }

}

@Configuration
public class AppConfig {

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

    @Bean
    public OrderService orderService() {
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }

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

    @Bean
    public DiscountPolicy discountPolicy() {
        return new FixDiscountPolicy();
    }

동일성은 두 객체의 주소 값이 같은지 확인하는 것이고 (==), 동등성은 두 객체의 내부 값이 일치하는지 확인하는 것이다!

전자(= 오브젝트 팩토리)의 AppConfig에서 memberRepository()를 여러번 호출하면 어떤 결과가 나올까?
결과적으로 매번 새로운 오브젝트가 생성된다. 따라서 동일성 비교를 하게되면, false라는 결과가 나오게 된다.

하지만 후자(= 스프링 애플리케이션 컨텍스트)의 AppCofig는 어떻게 될까? 놀랍게도 객체의 주소 값이 동일하다.
스프링은 여러 번에 걸쳐 빈을 요청하더라도 매번 동일한 오브젝트를 돌려준다는 것이다. 이는, 스프링 애플리케이션 컨텍스트가 싱글톤 레지스트리이기 때문이다.

스프링 애플리케이션 컨텍스트 동작방식

애플리케이션 컨텍스트는 전자와 같이 오브젝트 팩토리와 비슷한 방식으로 동작하는 IoC(Inversion Of Controller) 컨테이너이다.
그러면서 동시에 이 애플리케이션 컨텍스트는 싱글톤을 저장하고 관리하는 싱글톤 레지스트리(singleton registry)이기도 하다.

스프링은 기본적으로 내부에서 생성하는 빈 오브젝트를 모두 싱글톤으로 만든다.
여기서 말하는 싱글톤은 디자인 패턴 중 하나인 싱글톤 패턴과 유사하지만 구현 방법이 다르다.

스프링이 빈을 싱글톤으로 만드는 이유는?

그 이유는, 자바 엔터프라이즈 기술을 사용하는 서버환경이기 때문이다.
태생적으로 스프링은 엔터프라이즈 시스템을 위해 고안된 기술이기 때문에 서버환경에서 사용될 때 그 진가가 드러난다.

스프링이 처음 설계됐던 대규모의 엔터프라이즈 서버환경은 서버 하나당 최대로 초당 수십에서 수백번씩 브라우저나 여타 시스템으로부터의 요청을 받아 처리할 수 있는 높은 성능이 요구되는 환경이었다. 또 하나의 요청을 처리하기 위해 데이터 액세스 로직, 서비스 로직, 비즈니스 로직, 프레젠테이션 로직 등의 다양한 기능을 담당하는 오브젝트들이 참여하는 계층형 구조로 이뤄진 경우가 대부분이다.

만약 매번 클라이언트에서 요청이 올 때마다 각 로직을 담당하는 객체를 새로 생성해서 사용한다고 생각해보자.
매 요청마다 각 계층의 객체들이 생성될 것이고, 그 요청의 양도 적지 않다. 아무리 자바의 오브젝트 생성과 가비지 컬렉션(GC)의 성능이 좋아졌다고 한들 이렇게 부하가 걸리면 서버가 감당하기 힘들다.

그래서 엔터프라이즈 분야에서는 서비스 오브젝트라는 개념을 일찍부터 사용해왔다. 서블릿은 자바 엔터프라이즈 기술의 가장 기본이 되는 서비스 오브젝트라고 할 수 있다. 대부분 멀티스레드 환경에서 싱글톤으로 동작한다. 서블릿 클래스당 하나의 오브젝트만 만들어주고, 사용자의 요청을 담당하는 여러 스레드에서 하나씩 오브젝트를 공유해 동시에 사용한다.

이렇게 애플리케이션 안에 제한된 수, 대게 한 개의 오브젝트만 만들어서 사용하는 것이 싱글톤 패턴의 원리다. 따라서 서버환경에서는 서비스 싱글톤의 사용이 권장된다. 하지만 일반적으로 싱글톤 패턴은 사용하기도 어렵고 문제점도 많아서, 안티패턴이라는 인식이 대다수다.

싱글톤 패턴의 한계

일반적으로 자바에서 싱글톤을 구현하는 방법은 아래와 같다.

• 클래스 외부에서 오브젝트를 생성하지 못하도록 생성자를 private로 만든다.
• 생성된 싱글톤 오브젝트를 저장할 수 있는 자신과 같은 타입의 스태틱 필드를 정의한다.
• 스태틱 팩토리 메서드인 getInstance()를 만들고 이 메서드가 최초로 호출되는 시점에서 한번만 오브젝트가 만들어지게 한다.
  • 생성된 오브젝트는 스태틱 필드에 저장
  • 또는 스태틱 필드의 초기값으로 오브젝트를 미리 만들어둘 수도 있다.
• 한번 오브젝트(= 싱글톤)가 만들어지고 난 후에는 getInstance() 메서드를 통해 이미 만들어져 스태틱 필드에 저장해둔 오브젝트를 넘겨준다.

일반적으로 싱글톤 패턴 구현 방식에는 다음과 같은 문제가 있다.

priavet 생성자를 갖고 있기 때문에 상속할 수 없다.

싱글톤 패턴은 생성자를 priavet으로 제한한다. 오직 싱글톤 클래스 자신만이 자기 오브젝트를 만들도록 제한하는 것이다.
문제는 private 생성자를 가진 클래스는 다른 생성자가 없다면 상속이 불가능하다는 점이다.
객체지향의 장점인 상속과 이를 이용한 다형성을 적용할 수가 없다.
기술적인 서비스만 제공하는 경우라면 상관없겠지만, 애플리케이션의 로직을 담고 있는 일반 오브젝트의 경우 싱글톤으로 만들었을 때, 객체지향적인 설계의 장점을 적용하기가 어렵다는 것이다. 또한 상속과 다형성 같은 객체지향의 특징이 적용되지 않는 static 필드와 메서드를 사용하는 것도 역시 동일한 문제를 발생시킨다.

싱글톤은 테스트하기가 힘들다.

싱글톤은 테스트하기 어렵거나 테스트 방법에 따라 아예 테스트가 불가능하다.
싱글톤은 만들어지는 방식이 제한적이기 때문에 테스트에서 사용될 때 목 오브젝트 등으로 대체하기가 힘들다.
싱글톤은 초기화 과정에서 생성자 등을 통해 사용할 오브젝트를 다이나믹하게 주입하기도 힘들기 때문에 필요한 오브젝트는 직접 오브젝트를 만들어 사용할 수밖에 없다. 이런 경우 테스트용 오브젝트로 대체하기가 힘들다.

서버환경에서는 싱글톤이 하나만 만들어지는 것을 보장하지 못한다.

서버에서 클래스 로더를 어떻게 구성하고 있느냐에 따라서 싱글톤 클래스임에도 하나 이상의 오브젝트가 만들어질 수도 있다.
따라서 자바 언어를 이용한 싱글톤 패턴 기법은 서버환경에서는 싱글톤이 꼭 보장된다고 볼 수 없다.
여러 개의 JVM에 분산돼서 설치가 되는 경우에도 각각 독립적으로 오브젝트가 생기기 때문에 싱글톤으로서의 가치가 떨어진다.

싱글톤의 사용은 전역 상태를 만들 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

싱글톤은 사용하는 클라이언트가 정해져 있지 않다. 싱글톤의 static 메서드를 이용해 언제든지 싱글톤에 쉽게 접근할 수 있기 때문에 애플리케이션 어디서든지 사용될 수 있고, 그러다 보면 자연스럽게 전역 상태(global state)로 사용되기 쉽다. 아무 객체나 자유롭게 접근하고 수정하고 공유할 수 있는 전역 상태를 갖는 것은 객체지향 프로그래밍에서는 권장되지 않는 프로그래밍 모델이다. 그럼에도 싱글톤을 상요하면 그런 유혹에 빠지기 쉽다. 그럴 바에는 아예 스태틱 필드와 메서드로만 구성된 클래스를 사용하는 것이 낫다.

왜 싱글톤 패턴이 안티 패턴이라 불리는지 조금은 감이 올 것 같다.

싱글톤 레지스트리

스프링은 서버환경에서 싱글톤이 만들어져서 서비스 오브젝트 방식으로 사용되는 것을 적극 지지한다.
하지만 자바의 기본적인 싱글톤 패턴의 구현 방식은 여러 가지 단점이 있기 때문에, 스프링은 직접 싱글톤 형태의 오브젝트를 만들고 관리하는 기능을 제공한다.
그것이 바로 싱글톤 레지스트리(singleton registry)다. 스프링 컨테이너는 싱글톤을 생성하고, 관리하고, 공급하는 싱글톤 관리 컨테이너이기도 하다.
싱글톤 레지스트리의 장점은 스태틱 메서드와 private 생성자를 사용해야하는 비정상적인 클래스가 아니라 평범한 자바 클래스를 싱글톤으로 활용하게 해준다는 점이다. 평범한 자바 클래스라도 IoC 방식의 컨테이너를 사용해서 생성과 관계설정, 사용 등에 대한 제어권을 컨테이너에게 넘기면 손쉽게 싱글톤 방식으로 만들어져 관리되게 할 수 있다. 오브젝트 생성에 관한 모든 권한은 IoC 기능을 제공하는 애플리케이션 컨텍스트에게 있기 때문이다.

스프링의 싱글톤 레지스트리 덕분에 싱글톤 방식으로 사용될 애플리케이션 클래스라도 public 생성자를 가질 수 있다.
싱글톤으로 사용돼야하는 환경이 아니라면 간단히 오브젝트를 생성해서 사용할 수 있다.
따라서 테스트 환경에서 자유롭게 오브젝트를 만들 수 있고, 테스트를 위한 목 오브젝트로 대체하는 것도 간단하다.

가장 중요한 것은 싱글톤 패턴과 달리 스프링이 지지하는 객체지향적인 설계 방식과 원칙, 디자인 패턴(싱글톤 패턴 제외) 등을 적용하는데 아무런 제약이 없다는 점이다. 스프링은 IoC 컨테이너일 뿐만 아니라, 고전적인 싱글톤 패턴을 대신해서 싱글톤을 만들고 관리해주는 싱글톤 레지스트리라는 점을 기억해두자.
스프링이 빈을 싱글톤으로 만드는 것은 결국 오브젝트의 생성 방법을 제어하는 IoC 컨테이너로서의 역할이다.

다음은 싱글톤으로 만들어지기 때문에 주의해야 할 점에 대해 알아보자!

싱글톤과 오브젝트의 상태

싱글톤은 멀티스레드 환경이라면 여러 스레드가 동시에 접근해서 사용할 수 있다.
따라서 상태 관리에 주의를 기울여야 한다. 기본적으로 싱글톤이 멀티스레드 환경에서 서비스 형태의 오브젝트로 사용되는 경우에는 상태정보를 내부에 갖고있지 않은 무상태(stateless) 방식으로 만들어야 한다. 다중 사용자의 요청을 한꺼번에 처리하는 스레드들이 동시에 싱글톤 오브젝트의 인스턴스 변수를 수정하는 것은 매우 위험하다. 저장할 공간이 하나뿐이니 서로 값을 덮어쓰고 자신이 저장하지 않은 값을 읽어올 수 있기 때문이다.
따라서 싱글톤을 기본적으로 인스턴스 필드의 값을 변경하고 유지하는 상태유지(stateful)방식으로 만들지 않는다.
이를 지키지 않으면 개발자 혼자서 개발하고 테스트할 때는 아무런 문제가 없겠지만, 서버에 배포되고 여러 사용자가 동시에 접속하면 데이터가 엉망이 돼버리는 등의 심각한 문제가 발생할 것이다. 물론 읽기전용의 값이라면 초기화 시점에서 인스턴스 변수에 저장해두고 공유하는 것은 아무 문제가 없다.

상태가 없는 방식으로 클래스를 만드는 경우에 각 요청에 대한 정보나, DB나 서버의 리소스로부터 생성한 정보는 어떻게 다뤄야 할까?
이때는 파라미터와 로컬 변수, 리턴 값 등을 이용하면 된다. 메서드 파라미터나, 메서드 안에서 생성되는 로컬 변수는 매번 새로운 값을 저장할 독립적인 공간이 만들어지기 때문에 싱글톤이라고 해도 여러 스레드가 변수의 값을 덮어쓸 일이 없다.

인스턴스 변수로 사용할 수 있는 것은 스프링 컨테이너가 관리하는 또 다른 Bean 혹은 읽기 전용 값 등이 허용된다.
스프링이 한 번 초기화해주고 나면 이후에는 수정되지 않기 때문에 멀티스레드 환경에서 사용해도 아무런 문제가 없다.
또한 단순한 읽기전용 값이라면 static final이나 final로 선언하는 편이 나을 것이다.

스프링 빈의 스코프

스프링에서는 스프링이 관리하는 오브젝트, 즉 빈이 생성되고 존재하고, 적용되는 범위를 빈의 스코프(scope)라고 한다.
우리는 앞에서 스프링 컨텍스트가 빈을 싱글톤으로 관리한다고 했었다.

그렇다면 스프링의 모든 빈은 싱글톤으로만 존재할까?

아니다! 싱글톤 외에도 다른 빈 스코프가 존재한다.
먼저 스프링 빈의 기본 스코프는 싱글톤이다. 싱글톤 스코프는 컨테이너 내에 한 개의 오브젝트만 만들어져서, 강제로 제거하지 않는 한 스프링 컨테이너가 존재하는 동안 계속 유지된다. 스프링에서 만들어지는 대부분의 빈은 싱글톤 스코프를 갖는다.

경우에 따라서는 싱글톤 외의 스코프를 가질 수 있다.
대표적으로 프로토타입(prototype) 스코프가 있다. 프로토타입은 싱글톤과 달리 컨테이너에 빈을 요청할 때마다 매번 새로운 오브젝트를 만들어준다.
그 외에도 웹을 통해 새로운 HTTP 요청이 생길 때마다 생성되는 요청(request) 스코프가 있고, 웹의 세션과 스코프가 유사한 세션(session) 스코프가 있다.

사실 이 외에도 더 있다. 해당 내용에 대해서는 다음 블로깅에서 정리해보려고한다.