싱글톤 컨테이너

웹 애플리케이션과 싱글톤

순수 DI 컨테이너의 문제점

웹 애플리케이션은 여러 클라이언트가 동시에 요청을 보낸다. 순수한 DI 컨테이너는 요청마다 새로운 객체를 생성한다.

public class AppConfig {
    public MemberService memberService() {
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());  // 매번 새 객체 생성
    }

    public MemberRepository memberRepository() {
        return new MemoryMemberRepository();  // 매번 새 객체 생성
    }
}

// 문제 시연
@Test
void pureContainer() {
    AppConfig appConfig = new AppConfig();

    MemberService memberService1 = appConfig.memberService();
    MemberService memberService2 = appConfig.memberService();

    // 다른 객체
    System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
    System.out.println("memberService2 = " + memberService2);

    assertThat(memberService1).isNotSameAs(memberService2);
}

출력:
memberService1 = hello.core.member.MemberServiceImpl@6a5fc7f7
memberService2 = hello.core.member.MemberServiceImpl@3b6eb2ec

문제점:

초당 5만 건 요청 시 초당 5만 개 객체 생성 및 소멸
메모리 낭비 심각
GC 부하 증가

싱글톤 패턴

싱글톤 패턴이란?

클래스의 인스턴스가 딱 1개만 생성되는 것을 보장하는 디자인 패턴이다.

public class SingletonService {

    // 1. static 영역에 객체를 딱 1개만 생성
    private static final SingletonService instance = new SingletonService();

    // 2. public으로 객체 인스턴스가 필요하면 이 static 메서드를 통해서만 조회하도록 허용
    public static SingletonService getInstance() {
        return instance;
    }

    // 3. 생성자를 private으로 선언해서 외부에서 new 키워드로 생성하는 것을 막음
    private SingletonService() {
    }

    public void logic() {
        System.out.println("싱글톤 객체 로직 호출");
    }
}

// 테스트
@Test
void singletonServiceTest() {
    SingletonService singletonService1 = SingletonService.getInstance();
    SingletonService singletonService2 = SingletonService.getInstance();

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

    assertThat(singletonService1).isSameAs(singletonService2);
}

다양한 싱글톤 구현 방법

1. Eager Initialization (즉시 초기화)

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();

    private EagerSingleton() {}

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

2. Lazy Initialization (지연 초기화)

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {}

    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

3. Double-Checked Locking

public class DCLSingleton {
    private static volatile DCLSingleton instance;

    private DCLSingleton() {}

    public static DCLSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

4. Holder Idiom (권장)

public class HolderSingleton {
    private HolderSingleton() {}

    private static class Holder {
        private static final HolderSingleton INSTANCE = new HolderSingleton();
    }

    public static HolderSingleton getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

5. Enum Singleton (가장 안전)

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;

    public void logic() {
        System.out.println("싱글톤 로직");
    }
}

// 사용
EnumSingleton.INSTANCE.logic();

싱글톤 패턴의 문제점

// 문제점 시연
public class MemberServiceImpl implements MemberService {

    // 싱글톤 패턴을 적용하면 구체 클래스에 의존해야 함 (DIP 위반)
    private final MemberRepository memberRepository = SingletonMemberRepository.getInstance();

    // 싱글톤 객체를 가져와야 함 → 유연한 테스트 불가
}

문제점	설명
DIP 위반	`getInstance()`를 통해 구체 클래스에 의존
OCP 위반	싱글톤 구현 변경 시 클라이언트 코드 변경 필요
테스트 어려움	싱글톤 인스턴스를 미리 정해두어 유연성 저하
내부 속성 변경 어려움	private 생성자로 자식 클래스 만들기 곤란
코드 복잡성	싱글톤 패턴 구현 코드가 추가됨
안티패턴	유연성 저하로 객체 지향 설계에 어긋남

스프링 싱글톤 컨테이너

스프링의 싱글톤 관리

스프링 컨테이너는 싱글톤 패턴의 문제점을 해결하면서 객체 인스턴스를 싱글톤으로 관리한다.

@Test
void springContainer() {
    ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);

    MemberService memberService1 = ac.getBean("memberService", MemberService.class);
    MemberService memberService2 = ac.getBean("memberService", MemberService.class);

    // 같은 객체 (싱글톤)
    System.out.println("memberService1 = " + memberService1);
    System.out.println("memberService2 = " + memberService2);

    assertThat(memberService1).isSameAs(memberService2);
}

출력:
memberService1 = hello.core.member.MemberServiceImpl@4b29d1d2
memberService2 = hello.core.member.MemberServiceImpl@4b29d1d2

싱글톤 레지스트리

스프링 컨테이너는 싱글톤 레지스트리 역할을 한다.

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│               스프링 컨테이너 (싱글톤 레지스트리)          │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │               싱글톤 빈 저장소                     │  │
│  │  key: memberService  │  value: MemberServiceImpl │  │
│  │  key: orderService   │  value: OrderServiceImpl  │  │
│  │  key: discountPolicy │  value: RateDiscountPolicy│  │
│  └──────────────────────────────────────────────────┘  │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
            ↑                    ↑                    ↑
       클라이언트 A          클라이언트 B          클라이언트 C
       (같은 객체 사용)       (같은 객체 사용)       (같은 객체 사용)

스프링 싱글톤의 장점:

지저분한 싱글톤 패턴 코드 불필요
DIP, OCP 위반 없음
테스트 용이
private 생성자 불필요

싱글톤 방식의 주의점

Stateful 문제

“스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 정말 큰 장애가 발생할 수 있다!!!”

싱글톤 객체는 여러 클라이언트가 공유하므로 **무상태(stateless)**로 설계해야 한다.

// ❌ 잘못된 예: 상태를 가진 서비스 (stateful)
public class StatefulService {

    private int price;  // 상태를 유지하는 필드 → 위험!

    public void order(String name, int price) {
        System.out.println("name = " + name + ", price = " + price);
        this.price = price;  // 문제 발생 지점!
    }

    public int getPrice() {
        return price;
    }
}

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

    // ThreadA: 사용자A 10,000원 주문
    statefulService1.order("userA", 10000);
    // ThreadB: 사용자B 20,000원 주문 (중간에 끼어듬)
    statefulService2.order("userB", 20000);

    // ThreadA: 사용자A 주문 금액 조회
    int price = statefulService1.getPrice();
    System.out.println("price = " + price);  // 기대: 10000, 실제: 20000 !!!
}

문제 발생 흐름:
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    StatefulService (싱글톤)               │
│                    price 필드                            │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
        ▲                                    ▲
        │ 1. order("userA", 10000)          │ 2. order("userB", 20000)
        │    price = 10000                  │    price = 20000 (덮어씀!)
   Thread A                              Thread B
        │
        ▼
   3. getPrice() → 20000 반환! (잘못된 결과)

Stateless 설계 원칙

// ✅ 올바른 예: 무상태 서비스 (stateless)
public class StatelessService {

    // 상태 필드 없음

    public int order(String name, int price) {
        System.out.println("name = " + name + ", price = " + price);
        return price;  // 결과를 바로 반환
    }
}

무상태 설계 가이드라인:

원칙	설명
공유 필드 사용 금지	특정 클라이언트에 의존적인 필드 금지
변경 가능 필드 금지	특정 클라이언트가 값을 변경할 수 있는 필드 금지
읽기 전용 필드만 허용	가급적 읽기만 허용
지역 변수 활용	필드 대신 지역 변수, 파라미터, ThreadLocal 사용

// ThreadLocal 활용 예
public class ThreadLocalService {

    // ThreadLocal: 스레드별로 독립적인 저장소
    private ThreadLocal<Integer> price = new ThreadLocal<>();

    public void order(String name, int price) {
        System.out.println("name = " + name + ", price = " + price);
        this.price.set(price);  // 스레드별로 저장
    }

    public int getPrice() {
        return price.get();  // 해당 스레드의 값만 조회
    }

    public void clear() {
        price.remove();  // 사용 후 반드시 제거 (메모리 누수 방지)
    }
}

@Configuration과 싱글톤

의문점: 싱글톤이 깨지는 것 아닌가?

@Configuration
public class AppConfig {

    @Bean
    public MemberService memberService() {
        System.out.println("call AppConfig.memberService");
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }

    @Bean
    public OrderService orderService() {
        System.out.println("call AppConfig.orderService");
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }

    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        System.out.println("call AppConfig.memberRepository");
        return new MemoryMemberRepository();
    }

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

자바 코드 상으로는 memberRepository()가 3번 호출될 것 같다:

@Bean memberRepository() 직접 호출
memberService() 내에서 호출
orderService() 내에서 호출

// 테스트
@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);

    MemberRepository memberRepository1 = memberService.getMemberRepository();
    MemberRepository memberRepository2 = orderService.getMemberRepository();

    // 모두 같은 인스턴스!
    System.out.println("memberService -> memberRepository = " + memberRepository1);
    System.out.println("orderService -> memberRepository = " + memberRepository2);
    System.out.println("memberRepository = " + memberRepository);

    assertThat(memberRepository1).isSameAs(memberRepository);
    assertThat(memberRepository2).isSameAs(memberRepository);
}

출력:
call AppConfig.memberService
call AppConfig.memberRepository
call AppConfig.orderService
memberService -> memberRepository = hello.core.member.MemoryMemberRepository@5679c6c6
orderService -> memberRepository = hello.core.member.MemoryMemberRepository@5679c6c6
memberRepository = hello.core.member.MemoryMemberRepository@5679c6c6

결과: memberRepository()는 딱 1번만 호출된다!

CGLIB 바이트코드 조작

스프링은 @Configuration이 붙은 클래스를 그대로 사용하지 않고, CGLIB라는 바이트코드 조작 라이브러리를 사용하여 상속받은 클래스를 생성한다.

@Test
void configurationDeep() {
    ApplicationContext ac = new AnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);
    AppConfig bean = ac.getBean(AppConfig.class);

    System.out.println("bean = " + bean.getClass());
}

출력:
bean = class hello.core.AppConfig$$SpringCGLIB$$0

AppConfig$$SpringCGLIB$$0라는 이름의 클래스가 스프링 빈으로 등록된다.

CGLIB 동작 원리

// CGLIB가 생성한 클래스의 예상 코드 (실제 코드 아님)
@Configuration
public class AppConfig$$SpringCGLIB$$0 extends AppConfig {

    @Override
    public MemberRepository memberRepository() {
        // 스프링 컨테이너에 이미 등록되어 있으면 찾아서 반환
        if (스프링_컨테이너.contains("memberRepository")) {
            return 스프링_컨테이너.getBean("memberRepository", MemberRepository.class);
        }
        // 없으면 새로 생성해서 스프링 컨테이너에 등록
        else {
            MemberRepository memberRepository = super.memberRepository();
            스프링_컨테이너.register("memberRepository", memberRepository);
            return memberRepository;
        }
    }
}

CGLIB 동작 흐름:
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      스프링 컨테이너                       │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  빈 저장소                                        │   │
│  │  memberRepository: MemoryMemberRepository        │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────┘   │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
                            ▲
                            │ 이미 있으면 반환
                            │ 없으면 새로 생성 후 등록
          ┌─────────────────┴─────────────────┐
          │       AppConfig$$CGLIB            │
          │       (바이트코드 조작된 클래스)     │
          └─────────────────┬─────────────────┘
                            │ extends
          ┌─────────────────┴─────────────────┐
          │            AppConfig              │
          │          (원본 클래스)             │
          └───────────────────────────────────┘

@Bean만 사용하면?

@Configuration 없이 @Bean만 사용하면 싱글톤이 보장되지 않는다.

// @Configuration 주석 처리
// @Configuration
public class AppConfig {

    @Bean
    public MemberService memberService() {
        System.out.println("call AppConfig.memberService");
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }

    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        System.out.println("call AppConfig.memberRepository");
        return new MemoryMemberRepository();
    }
    // ...
}

출력:
bean = class hello.core.AppConfig  // CGLIB 아님!
call AppConfig.memberService
call AppConfig.memberRepository
call AppConfig.orderService
call AppConfig.memberRepository  // 다시 호출됨!
call AppConfig.memberRepository  // 또 호출됨!

설정	CGLIB 적용	싱글톤 보장
`@Configuration` + `@Bean`	O	O
`@Bean`만 사용	X	X

결론: 스프링 설정 정보에는 항상 @Configuration을 사용하자.

실전 예제: 싱글톤 주의사항

싱글톤 빈의 필드 설계

// ❌ 위험한 설계
@Service
public class OrderService {

    private Order currentOrder;  // 상태를 가진 필드

    public void createOrder(Long memberId, String itemName, int price) {
        currentOrder = new Order(memberId, itemName, price);
    }

    public Order getCurrentOrder() {
        return currentOrder;  // 동시 접근 시 다른 주문이 반환될 수 있음
    }
}

// ✅ 안전한 설계
@Service
public class OrderService {

    private final MemberRepository memberRepository;  // 불변 필드 (의존성)
    private final DiscountPolicy discountPolicy;      // 불변 필드 (의존성)

    // 생성자 주입 (불변)
    public OrderService(MemberRepository memberRepository, DiscountPolicy discountPolicy) {
        this.memberRepository = memberRepository;
        this.discountPolicy = discountPolicy;
    }

    public Order createOrder(Long memberId, String itemName, int price) {
        Member member = memberRepository.findById(memberId);
        int discountPrice = discountPolicy.discount(member, price);
        return new Order(memberId, itemName, price, discountPrice);  // 바로 반환
    }
}

캐시 구현 시 주의사항

// ❌ 위험한 캐시 구현
@Service
public class ProductService {

    private Map<Long, Product> cache = new HashMap<>();  // 동시성 문제!

    public Product getProduct(Long id) {
        if (cache.containsKey(id)) {
            return cache.get(id);
        }
        Product product = productRepository.findById(id);
        cache.put(id, product);  // 동시 접근 시 문제 발생 가능
        return product;
    }
}

// ✅ 안전한 캐시 구현
@Service
public class ProductService {

    private final ConcurrentHashMap<Long, Product> cache = new ConcurrentHashMap<>();

    public Product getProduct(Long id) {
        return cache.computeIfAbsent(id, k -> productRepository.findById(k));
    }

    // 또는 @Cacheable 사용 권장
    @Cacheable("products")
    public Product getProductWithCache(Long id) {
        return productRepository.findById(id);
    }
}

정리

스프링 싱글톤의 핵심

항목	설명
싱글톤 패턴	인스턴스를 1개만 생성하는 디자인 패턴
싱글톤 패턴 문제점	DIP/OCP 위반, 테스트 어려움, 유연성 저하
스프링 싱글톤 컨테이너	싱글톤 패턴의 문제점 해결, 빈을 싱글톤으로 관리
싱글톤 주의점	무상태(stateless)로 설계해야 함
@Configuration	CGLIB로 싱글톤 보장

체크리스트

스프링 빈에 상태를 저장하는 필드가 있는가?
여러 스레드에서 동시에 접근하는 필드가 있는가?
@Configuration 없이 @Bean만 사용하고 있지 않은가?
필드 대신 지역 변수, 파라미터를 사용하고 있는가?

핵심 인용구

“스프링 빈의 필드에 공유 값을 설정하면 정말 큰 장애가 발생할 수 있다!!!”

참고 자료

Spring Framework - Singleton Scope
CGLIB 라이브러리
인프런 - 스프링 핵심 원리 기본편 (김영한)

스프링 컨테이너와 스프링 빈 컴포넌트 스캔