싱글톤 (Singleton) 디자인 패턴

작성자 : 정희재

본 자료는 '파이썬 디자인 패턴 2/e (Chetan Giridhar)' 책을 토대로 작성되었습니다. 따라서 모든 예시 코드에는 저자를 표시하는 __author__ = 'Chetan' 이 포함됩니다.

Table of Contents

싱글톤 (Singleton) 디자인 패턴이란
게으른 초기화
모듈 싱글톤
모노스테이트 싱글톤 패턴
싱글톤과 메타클래스
싱글톤 패턴 사용 사례 1
싱글톤 패턴 사용 사례 2
싱글톤 패턴의 단점

싱글톤 (Singleton) 디자인 패턴이란

싱글톤 디자인 패턴은 글로벌하게 접근 가능한 단 한 개의 객체만을 허용하는 패턴이다.

싱글톤 디자인 패턴의 목적

클래스에 대한 단일 객체 생성
전역 객체 제공
공유된 리소스에 대한 동시 접근 제어

싱글톤 패턴 구현

Python

__author__ = 'Chetan'

class Singleton(object):
    def __new__(cls):
      if not hasattr(cls, 'instance'):
        cls.instance = super(Singleton, cls).__new__(cls)
      return cls.instance
    
s = Singleton()
print("Object created", s)

s1 = Singleton()
print("Object created", s1)

''' <실행 결과>
Object created <__main__.Singleton object at 0x1005c12b0>
Object created <__main__.Singleton object at 0x1005c12b0>
'''

한 개의 instance 클래스 인스턴스를 생성한다.
이미 생성된 인스턴스가 있다면 재사용한다.

게으른 초기화

인스턴스가 꼭 필요한 상황일 때 초기화를 한다. 사용할 수 있는 리소스가 제한적일 때 사용하는 방식이다.

__author__ = 'Chetan'   

class Singleton:

    __instance = None
    
    def __init__(self):
        if not Singleton.__instance:
            print(" __init__ method called..")
        else:
            print("Instance already created:", self.getInstance())
    
    @classmethod
    def getInstance(cls):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance = Singleton()
        return cls.__instance

s = Singleton()
## 클래스는 초기화 되었지만 아직 객체는 생성되지 않았다.
print("Object created", Singleton.getInstance())
## 객체를 생성했다.
s1 = Singleton()
## 객체는 이미 생성되었다.

''' <실행 결과>
__init__ method called..
 __init__ method called..
Object created <__main__.Singleton object at 0x10ca025c0>
Instance already created: <__main__.Singleton object at 0x10ca025c0>
'''

getInstance()로 얻어오는 주소가 일치하는 것을 볼 수 있다.

모듈 싱글톤

파이썬에서 모든 모듈은 기본적으로 싱글톤이다. 한 개의 객체만 유지하고 반환하는 싱글톤 방식이다. 파이썬의 모듈 임포트 방식은 다음과 같다.

파이썬 모듈이 임포트됐는지 확인한다.
임포트 됐다면 해당 객체를 반환한다.
임포트되지 않았다면 임포트하고 인스턴스화 한다.
모듈은 임포트와 동시에 초기화된다. 하지만 같은 모듈을 다시 임포트하면 초기화하지 않는다.

import sys
import sys

이처럼 같은 모듈을 중복해서 임포트해도 sys객체는 하나만 생성된다.

모노스테이트 싱글톤 패턴

싱글톤 패턴과 달리 두 개 이상의 객체가 생성될 수 있지만 모든 객체가 상태를 공유한다.

모노스테이트 싱글톤 예시

__author__ = 'Chetan'   

class Borg:
    __shared_state = {}
    def __init__(self):
        self.x = 1
        self.__dict__ = self.__shared_state
        pass

b = Borg()
b1 = Borg()
b.x = 3

print("Borg Object 'b': ", b)
print("Borg Object 'b1': ", b1)
## b와 b1은 서로 다른 객체다.
print("Object State 'b':", b.__dict__)
print("Object State 'b1':", b1.__dict__)
## 그러나 서로 state를 공유한다.

''' <실행 결과>
Borg Object 'b':  <__main__.Borg object at 0x10d6d95c0>
Borg Object 'b1':  <__main__.Borg object at 0x10d6d95f8>
Object State 'b': {'x': 3}
Object State 'b1': {'x': 3}
'''

싱글톤과 메타클래스

메타클래스는 클래스의 클래스다. 즉 클래스는 자신의 메타클래스의 인스턴스다. 클래스는 메타클래스가 정의한다.

class A 구문으로 클래스를 생성하면 파이썬은 A = type(name, bases, dict) 를 실행한다. 이미 정의된 메타클래스가 있다면 파이썬은 A = MetaKls(name, bases, dict) 를 실행해 클래스를 생성한다.

name : 클래스명
base : 베이스 클래스
dict : 속성 값

메타클래스 구현코드

__author__ = 'Chetan'

class MyInt(type):
    
    def __call__(cls, *args, **kwds):
        print("***** Here's My int *****", args)
        print("Now do whatever you want with these objects...")
        return type.__call__(cls, *args, **kwds)

class int(metaclass=MyInt):
    
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
        pass

i = int(4,5)
i = int(7,8)

''' <실행 결과>
***** Here's My int ***** (4, 5)
Now do whatever you want with these objects...
***** Here's My int ***** (7, 8)
Now do whatever you want with these objects...
'''

__call__ 메소드는 이미 존재하는 클래스의 객체를 생성할 때 호출되는 파이썬의 특수 메소드다.
객체 생성을 메타클래스가 제어한다.
메타클래스가 클래스와 객체 생성을 제어하기 때문에 싱글톤을 생성하는 용도로 사용할 수 있다.

메타클래스를 사용한 싱글톤 패턴 구현

__author__ = 'Chetan'

class MetaSingleton(type):
    
    _instances = {}
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(MetaSingleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

class Logger(metaclass=MetaSingleton):
    pass

logger1 = Logger()
logger2 = Logger()
print(logger1)
print(logger2)

''' <실행 결과>
<__main__.Logger object at 0x1059635c0>
<__main__.Logger object at 0x1059635c0>
'''

싱글톤 패턴 사용 사례 1

한 개의 DB를 공유하는 클라우드 서비스의 예.

데이터베이스의 일관성을 보존해야 한다. 연산 간의 충돌이 없어야 한다.
다수의 DB 연산을 처리하려면 메모리와 CPU를 효율적으로 사용해야 한다.

__author__ = 'Chetan'

import sqlite3
class MetaSingleton(type):
    
    _instances = {}
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(MetaSingleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

class Database(metaclass=MetaSingleton):
    connection = None
    def connect(self):
        if self.connection is None:
            self.connection = sqlite3.connect("db.sqlite3")
            self.cursorobj = self.connection.cursor()
        return self.cursorobj

db1 = Database().connect()
db2 = Database().connect()

print ("Database Objects DB1", db1)
print ("Database Objects DB2", db2)

''' <실행 결과>
Database Objects DB1 <sqlite3.Cursor object at 0x1005d9c00>
Database Objects DB2 <sqlite3.Cursor object at 0x1005d9c00>
'''

Database 클래스는 MetaSingleton 메타클래스의 도움으로 싱글톤 역할을 한다. 단 한 개의 Database 클래스 객체만 생성된다.
웹 앱이 DB 연산을 요청할 때마다 Database 클래스를 생성하지만 내부적으로 한 개의 객체만 생성된다. 따라서 데이터베이스의 동기화가 보장된다. 리소스를 적게 사용해 메모리와 CPU사용량을 최적화할 수 있다.

싱글톤 패턴 사용 사례 2

인프라 상태를 확인하는 서비스의 예.

HealthCheck 클래스를 싱글톤으로 구현한다.
상태를 확인해야 하는 서버의 목록을 만들고 목록에서 제거된 서버의 상태는 확인하지 않아야 한다.

__author__ = 'Chetan'

class HealthCheck:
    
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not HealthCheck._instance:
            HealthCheck._instance = super(HealthCheck, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)
        return HealthCheck._instance
    
    def __init__(self):
        self._servers = []
    
    def addServer(self):
        self._servers.append("Server 1")
        self._servers.append("Server 2")
        self._servers.append("Server 3")
        self._servers.append("Server 4")
    
    def changeServer(self):
        self._servers.pop()
        self._servers.append("Server 5")

hc1 = HealthCheck()
hc2 = HealthCheck()

hc1.addServer()
print("Schedule health check for servers (1)..")
for i in range(4):
    print("Checking ", hc1._servers[i])


hc2.changeServer()
print("Schedule health check for servers (2)..")
for i in range(4):
    print("Checking ", hc2._servers[i])

''' <실행 결과>
Schedule health check for servers (1)..
Checking  Server 1
Checking  Server 2
Checking  Server 3
Checking  Server 4
Schedule health check for servers (2)..
Checking  Server 1
Checking  Server 2
Checking  Server 3
Checking  Server 5
'''

addServer() 메소드는 서버를 목록에 추가한다.
changeServer() 메소드는 서버를 목록에서 제거하고 새로운 서버를 추가한다.
h1과 h2는 싱글톤으로 생성된 객체이므로 동일한 객체다.

싱글톤 패턴의 단점

전역 변수의 값이 실수로 변경된 것을 모르고 애플리케이션에서 사용될 수 있다.
같은 객체에 대한 여러 참조자가 생길 수 있다. 싱글톤은 한 개의 객체만을 만들기 때문에 같은 객체에 대한 여러 개의 참조자가 생긴다.
전역 변수에 종속적인 모든 클래스 간 상호관계가 복잡해진다. 전역 변수 수정이 의도치 않게 다른 클래스에도 영향을 줄 수 있다.

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