Singleton Pattern

오직 한 개의 클래스 인스턴스만 갖도록 보장하고, 이에 대한 전역적인 액세스 포인트를 제공한다.

Motivation

애플리케이션 설정을 관리하는 클래스가 있다고 하자. 설정 클래스는 애플리케이션에서 단 하나의 인스턴스만 있어야 하며, 이 설정은 애플리케이션 전반에서 공유되어야 한다. 만약 설정 객체가 여러 번 생성된다면 비효율적이고, 일관성이 없을 수 있다.

싱글톤 패턴을 사용하면 설정 객체 인스턴스가 오직 하나만 존재하도록 보장할 수 있다.

Applicability

클래스의 인스턴스가 오직 하나여야 함을 보장하고, 잘 정의된 액세스 포인트로 모든 사용자가 접근할 수 있도록 해야 할 때
유일한 인스턴스가 서브클래싱으로 확장되어야 하며, 사용자는 코드 수정 없이 확장된 서브클래스의 인스턴스를 사용할 수 있어야 할 때

Structure

singleton pattern structure

Singleton: Instance() 연산을 정의하여 유일한 인스턴스로 접근할 수 있도록 함

Collaborations

사용자는 Singleton 클래스에 정의된 Instance() 연산을 통해 유일하게 생성되는 싱글톤 인스턴스에 접근할 수 있다.

Consequences

유일하게 존재하는 인스턴스로의 접근을 통제한다.

Singleton 클래스 자체가 인스턴스를 캡슐화하기 때문에, 이 클래스에서 사용자가 언제, 어떻게 이 인스턴스에 접근할 수 있는지 제어할 수 있다.
이름 공간(name space)를 좁힌다.

싱글톤 패턴은 전역 변수를 사용해 이름 공간을 망치는 일을 없애준다.
연산 및 표현의 정제를 허용한다.

싱글톤 클래스는 상속될 수 있기에, 이 상속된 서브클래스를 통해 새로운 인스턴스를 만들 수 있다.
인스턴스의 개수를 변경하기 자유롭다.

싱글톤 클래스의 인스턴스가 하나 이상 존재할 수 있도록 변경해야 할 때도 있는데, 싱글톤 클래스의 인스턴스에 접근할 수 있는 허용 범위를 결정하는 연산만 변경하면 된다. 즉, 기존에는 하나의 인스턴스로만 접근을 허용했다면, 여러 개의 인스턴스를 생성해 각각 그 인스턴스로 접근할 수 있도록 연산의 구현을 바꿀 수 있다.
클래스 연산을 사용하는 것보다 훨씬 유연한 방법이다.

싱글톤 패턴과 동일한 기능을 발휘하는 방법이 클래스 연산(C++의 정적 멤버 함수 등)을 사용하는 것이다. 그러나 클래스 인스턴스가 하나 이상 존재할 수 있도록 설계를 변경하는 것은 어렵다. 또한 C++의 정적 멤버 함수는 가상 함수가 아니므로 서브클래스들이 이 연산을 오버라이드 할 수 없다.

Implementation

인스턴스가 유일해야 함을 보장한다.

일반적인 방법은 인스턴스를 생성하는 연산을 클래스 연산으로 만드는 것이다. 이 연산은 유일한 인스턴스를 관리할 변수에 접근해 이 변수에 유일한 인스턴스로 초기화하고, 이 변수를 되돌려주어 사용자가 유일한 인스턴스를 사용할 수 있도록 한다.
```
class Singleton {
public:
    static Singleton* Instance();
protected:
    Singleton();
private:
    static Singleton* _instance;
};
```
구현은 다음과 같다.
```
Singleton* Singleton::_instance = 0;

Singleton* Singleton::Instance () {
    if (_instance == 0) {
        _instance = new Singleton;
    }
    return _instance;
}
```
사용자는 반드시 Instance() 함수를 통해서만 인스턴스에 접근해야 한다. 또한 생성자가 protected로 선언되어 사용자가 임의로 Singleton 인스턴스를 생성하려하면 컴파일 오류가 발생한다.
Singleton 클래스를 서브클래싱한다.

때로는 싱글톤 클래스의 기능을 확장하거나 다른 형태의 인스턴스가 필요할 수 있다. 이를 위해 싱글톤 클래스를 상속받아 서브클래스를 정의할 수 있다. 핵심은 Singleton의 인스턴스를 참조하는 변수가 서브클래스의 인스턴스로 초기화되어야 한다는 것이다. 쉬운 방법으로 슈퍼클래스의 인스턴스를 반환할지, 서브클래스의 인스턴스를 반환할지를 Instance()에서 판단하는 것이다.

Singleton의 서브클래스를 선택하는 또 다른 방법은 Instance() 연산의 구현을 슈퍼클래스가 아닌 서브클래스에서 하는 것이다. 이는 싱글톤 구현 클래스를 연결 시점에 결정할 수 있게 해준다.

싱글톤에 대한 레지스트리를 사용할 수 있다. Singleton 클래스는 이 싱글톤 인스턴스를 레지스트리에 이름을 갖는 인스턴스로 등록한다. 레지스트리는 문자열로 정의된 이름을 해당 싱글톤 인스턴스로 대응시켜 둔다. Instance() 연산에서 싱글톤이 필요할 때 레지스트리를 확인해 해당하는 싱글톤을 돌려준다. 이런 방식을 취하면 Instance() 연산이 모든 싱글톤 클래스와 인스턴스를 알 필요가 없다.
```
class Singleton {
public:
    static void Register(const char* name, Singleton*);
    static Singleton* Instance();
protected:
    static Singleton* Lookup(const char* name);
private:
    static Singleton* _instance;
    static List<NameSingletonPair>* _registry;
};
```

Sample Code

MazeFactory 클래스는 미로의 각 요소를 생성하는 데 필요한 인터페이스를 정의한다. 서브클래스에서는 인터페이스를 재정의하여 특정 제품 클래스를 생성하여 반환한다.

MazeFactory를 싱글톤으로 만들면 MazeFactory 인스턴스에 대한 매개변수를 전역 변수로 정의할 필요 없이 어디서나 MazeFactory 객체로 접근할 수 있다.

class MazeFactory {
public:
    static MazeFactory* Instance();
    
    // existing interface goes here
protected:
    MazeFactory();
private:
    static MazeFactory* _instance;
};

구현은 다음과 같다.

MazeFactory* MazeFactory::_instance = 0;

MazeFactory* MazeFactory::Instance () {
    if (_instance == 0) {
        _instance = new MazeFactory;
    }
    return _instance;
}

환경 변수를 통해 미로의 종류를 선택하고 MazeFactory 서브클래스 환경 변수에 정의된 값으로 인스턴스화하는 코드를 추가한다.

MazeFactory* MazeFactory::Instance() {
    if (_instance == 0) {
        const char* mazeStyle - getenv("MAZESTYLE");
        
        if (strcmp(mazeStyle, "bombed") == 0) {
            _instance = new BombedMazeFactory;
        } else if (strcmp(mazeStyle, "enchanted") == 0) {
            _instance = new EnchantedMazeFactory;
            
            // ... other possible subclasses
            
        } else { // default
            _instance = new MazeFactory;
        }
    }
    return _instance;
}

MazeFactory는 새로운 서브클래스를 만들 때마다 Instance()가 변경되어야 한다. 만약 프레임워크에 정의된 추상 팩토리라면 프레임워크를 수정해야 한다. 이럴 때 레지스트리를 사용해 해결할 수 있다.

Motivation#

Applicability#

Structure#

Collaborations#

Consequences#

Implementation#

Sample Code#