디자인 패턴 - 4. Singleton Pattern

오늘은 싱글톤 패턴에 대해 소개해보려고 합니다.

제가 제일 처음 접한 디자인패턴이라, 여러모로 특별한 의미를 가지는 디자인 패턴이고, 제가 생각하기엔, 가장 많이 활용되는 디자인패턴이 아닌가 싶습니다.

1. 싱글톤 패턴이란?

 Single, 즉, 단 하나밖에 없는 인스턴스입니다.

특징은 생성자가 여러번 호출 되도 결국 이 인스턴스는 전체를 통틀어 단 하나밖에 없는 것이 특징입니다. 

예를 들자면, 한 프로그램 통틀어서 필요한 기본설정 정보는 굳이 여러 개일 필요가 없습니다. 설정정보는 하나만 가지고 있고, 설정이 필요한 곳에서 설정 정보를 이 싱글톤으로 받아 쓰게 구현 하면, 중복을 줄일 수 있습니다.

이 디자인의 특징적인 면은, 처음부터 전체 코드에 통틀어 한 객체 밖에 못 만들게 설계 되어 있다는 점에 있습니다.

주저리주저리 하는 설명 보단, 코드를 직접 보며 이해하는 것이 좀 더 빠르다고 생각합니다. 

2. 구현

HeadFirst의 초콜릿공장 예제를 사용하고, C++을 이용하여 구현했습니다. 코드와 함께 설명해보겠습니다.

초콜릿을 끓이는 장치가 있습니다. 이 장치를 초콜릿 보일러로 지칭하겠습니다. 이 초콜릿보일러는 초콜릿 재료를 받아와서, 끓여 녹이고 다음 공정으로 넘기는 역할을 수행하는 장치입니다. 그래서 재료를 채우고(Fill()), 재료를 끓이고 (Boil()), 완성된 내용물을 다음 단계로 넘기는(Drain()) 기능이 구현되어 있습니다.

<CChocolateBoiler.h>

#include <cstdio>
 
class CChocolateBoiler {
 
public:
    static CChocolateBoiler * GetInstance();
    bool IsBoiled();
    bool IsEmpty();
    void Fill();
    void Drain();
    void Boil();
 
private:
    CChocolateBoiler() :
            bEmpty(true),
            bBoiled (false) {};
    bool bEmpty;
    bool bBoiled;
    static CChocolateBoiler *mChocolateInstance;
};
 

제가 구현한 헤더입니다. 이 헤더에 특징적인 면이 있다면 생성자가 private로 선언되어 있다는 점입니다.

그리고 인스턴스도 정적 인스턴스로 클래스 내에 선언되어 있습니다. static 함수인  GetInstance()가 불려졌을 때, 해당 싱글톤 인스턴스가 만들어져 있지 않으면, GetInstance()가 불려졌을 때 해당 싱글톤 인스턴스가 만들어져 있지 않다면, GetInstance()  함수 내에서 새로운 객체를 생성하게 되는 것이 바로 싱글톤의 가장 큰 특징입니다.

이 인스턴스가 이미 만들어져 있다면 그 인스턴스를 그대로 돌려주도록 구현되어 있습니다. 자세한 내용은 밑의 구현부에서 확인할 수 있습니다.

<CChocolateBoiler.cpp>

#include "CChocolateBoiler.h"
 
CChocolateBoiler *CChocolateBoiler::mChocolateInstance = NULL;
 
CChocolateBoiler* CChocolateBoiler::GetInstance() {
    if (NULL == mChocolateInstance)
    {
        mChocolateInstance = new CChocolateBoiler();
    }
    return mChocolateInstance;
}
 
bool CChocolateBoiler::IsEmpty()
{
    return bEmpty;
}
 
bool CChocolateBoiler::IsBoiled()
{
    return bBoiled;
}
 
void CChocolateBoiler::Fill() {
    if (IsEmpty())
    {
        bEmpty = false;
        bBoiled = false;
        printf("Chocolate is filled.\n");
    }
    else
    {
        printf("Chocolate is already filled.\n");
    }
}
 
void CChocolateBoiler::Drain()
{
    if(!IsEmpty() && IsBoiled())
    {
        bEmpty = true;
        printf("Chocolate is going next step.\n");
    }
    else
    {
        printf("Chocolate isn't ready to Drain.\n");
    }
}
 
void CChocolateBoiler::Boil()
{
    if( !IsEmpty() && !IsBoiled() )
    {
        bBoiled = true;
        printf("Chocolate is Boiled.\n");
    }
    else
    {
        printf("Chocolate isn't ready to Boiled. Please Check Chocolate.\n");
    }
}

 static 변수라, 전역에서 먼저 초기화를 시켜주게 됩니다.

GetInstance()를 통해서만 해당 인스턴스를 가지고 올 수 있습니다. GetInstance 함수에서, 초콜릿 보일러 객체가 선언되어 있지 않다면, 새로운 객체를 생성해 주고, 그렇지 않으면 instance를 반환시켜줍니다. 그리고 나머지 구현된 함수는, 초콜릿 보일러를 통해 초콜릿 재료를 만들 때 재료 확인을 위해 필요한 함수들입니다.

그러면, main에서 위 초콜릿보일러 객체를 선언 후 결과를 확인해 보겠습니다.

<main.cpp>

#include "CChocolateBoiler.h"
 
int main() {
    
    // 초콜릿 보일러 인스턴스를 가지고 옴
    CChocolateBoiler *chocolateBoiler = CChocolateBoiler::GetInstance();
 
    chocolateBoiler->Fill();
    chocolateBoiler->Fill();
    chocolateBoiler->Drain();
    chocolateBoiler->Boil();
    
    // 이미 만들어진 초콜릿 보일러 인스턴스를 가지고 
    CChocolateBoiler *chocolateBoiler2 = CChocolateBoiler::GetInstance();
 
    chocolateBoiler2->Drain();
 
    return 0;
}

Fill()을 두 번 부르면, 이미 재료가 채워 졌기 때문에 더 이상 재료를 채우지 않습니다. 그리고 재료를 끓이지 않았기 때문에, 첫 Drain()은 실행되지 않고, Boil() 함수 실행 후, Drain()을 불렀을 때 재료가 다음 단계로 넘어가게 됩니다.

단 하나 밖에 없는 객체이기 때문에 위와 같이 chocolateBoiler2에서 실행을 해도 이전에 chocolateBoiler가 하던 일을 그대로 이어받아 진행하게 됩니다.

 이미 chocolateBoiler에서 Boil()까지 진행되었으니, 다음 chocolateBoiler2에서 Drain() 공정을 돌릴 수 있는 조건이 채워져 Drain()이 성공적으로 이루어지겠죠?

이 함수들을 실행 시키게 되면,

위 스크린샷과 같이 실행되는 것을 확인할 수 있습니다.

3. 정리

싱글톤 패턴을 적용하게 되면, 한 애플리케이션에 최대 하나의 인스턴스를 생성할 수 있습니다. 그리고 이 유일한 인스턴스를 어디에서든 접근가능하도록 만들 수 있습니다. 그렇게 구현되기 위해 Static 함수인 GetInstance()를 통해서만 생성, 접근 가능한 구조로 구현되어 있습니다. 

정말 자주 쓰이는 디자인 패턴이라, 다른 디자인 패턴보다도 이 싱글톤 패턴을 아는 것이 매우 중요하다고 생각합니다.

많이 부족한 게시글을 읽어주셔서 감사합니다. 많이 도움이 되었길 바랍니다. 언제나 틀린 부분이 있으면 지적해주시면 감사하겠습니다.