파이썬에서 싱글톤 구현하기

싱글톤은 어떤 클래스의 인스턴스가 하나만 만들어지도록 강제하는 디자인 패턴의 한 종류입니다. 싱글톤은 시스템 전체에 걸쳐 단 하나의 객체 인스턴스만 있으면 될 때 사용할 수 있으며, 전역 변수를 사용하지 않고도 특정한 객체를 어디서나 참조할 수 있게 되는 장점이 있습니다. 싱글톤을 구현하는 일반적인 방법으로는 1) 생성자를 private하게 만들어서 다른 객체가 직접적으로 호출할 수 없도록 하고, 2) 별도의 정적 메소드를 제공하여 싱글톤 객체를 획득할 수 있게 합니다.

싱글톤 구현방법

파이썬에서는 생성자를 숨길 수 없기 때문에, 생성자 그 자체가 싱글톤 객체를 반환하도록 하면 됩니다. 이를 구현하는 방법에는 여러가지가 있을 수 있지만, 대표적으로는 메타 클래스를 사용하는 방법이 있습니다. 생성자가 호출될 때, 싱글톤 객체를 반환하는 기본 구현을 만들어 두고, 이를 적용할 클래스에서 해당 메타 클래스를 사용하도록 하는 방식입니다. 예제는 아래와 같습니다.

# 싱글톤 구현을 위한 메타클래스
class Singleton(type)
    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwds):
        # Foo() 와 같이 호출될 때...
        if cls is not cls._instances:
            cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwds)
        return cls._instances[cls]


class Foo(BaseClass, metaclass=Singleton):
    def __init__(self):
        self.x = 10

f = Foo()
g = Foo()  # 값 11은 무시되고 앞에서 만들어진 값이 표시
print(id(f), f.x)
print(id(g), g.x)

Foo()와 같이 클래스 이름의 생성자를 사용하면 해당 클래스의 내부에서는 __new__() 메소드가 호출됩니다. 따라서 메타클래스를 사용하지 않고 단순하게 작성하려면 다음과 같은 방식으로 작성하면 됩니다.

class Singleton:
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kwds):
        if not isinstance(cls._instance, cls):
            cls._instance = object.__new__(cls, *args, **kwds)
        return cls._instance

    def __init__(self, *args, **kwds):
        self.x = 10

스레드 안전한 싱글톤

싱글톤을 구현하는 방법은 생각보다 간단합니다. 하지만 이 코드는 멀티스레드 환경에서 안전하게 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 여전히 두 개 이상의 스레드에서 거의 동시에 생성자가 호출된다면 2개 이상의 인스턴스 객체가 만들어질 수도 있습니다. 따라서 스레드 안전한 싱글톤을 구현하기 위해서는 Lock 과 같은 동기화 수단이 필요합니다. 해당 클래스의 정적 속성으로 락 객체를 하나 만들어 놓고, 인스턴스를 체크, 생성하는 코드를 락의 크리티컬 구간 내에 위치시키면 됩니다.

from threading import Lock

class Singleton:
    _instance = None
    _lock = Lock()

    def __new__(cls, *args, **kwds):
        with cls._lock:
            if not isinstance(cls._instance, cls):
            cls._instance = object.__new__(cls, *args, **kwds)
        return cls._instance

    def __init__(self, *args, **kwds):
        self.x = 10