플라이웨이트 패턴 (Flyweight Pattern) 이란?

플라이 웨이트 (Flyweight) 패턴이란?

• 구조와 관련된 디자인 패턴이다.
  • 변화하지 않는(intrinsic) 재사용 가능한(resuable) 커다란 객체를 캐시에 저장해두고 재활용하는 기법이다.
  • 여러 개의 클래스 내부 필드 중 공통으로 사용되는 필드를 따로 빼내어 공유하여 메모리를 더 확보할 수 있게 해준다.
• flyweight 의 영단어 뜻은 스포츠에서 아주 가벼운 체급을 말한다.
• 필드의 중복을 최적화할 수 있어서 많은 인스턴스를 만드는 애플리케이션에서 효율이 좋다.
  • OOM 현상을 방지하는데 유용하다.
• 자주 변경되는 속성 (Intrinsic State) 과 자주 변경되지 않는 속성 (Extrinsic State) 을 분리하여 자주 변경되지 않는 것을 재사용한다.
• 객체지향적 디자인이 목적이라기보다 성능 향상에 주된 목적이 있다.

다이어그램으로 보기

게임의 예

• 게임에서 메모리 최적화를 이뤄내는 예를 통해 flyweight 패턴을 배워볼 수 있다.

문제

• 게임에서 몬스터를 대량으로 나타나게 하려는 순간 게임이 OOM 과 함께 크래시되는 현상이 일어난다.
• 몬스터를 생성하는데 너무 많은 메모리 자원이 소비된다고 예측할 수 있다.

Monster 클래스의 메모리 분석

• 위는 몬스터 클래스를 다이어그램으로 표현해본 것이다.
• 몬스터 하나당 메모리 비용 계산해보기
  • coords: 8B
  • vector: 16B
  • speed: 4B
  • color: 4B
  • sprite: 20KB
• 몬스터 한마리에 약 21KB 의 용량이 소비되며, 1,000,000 마리 기준으로 21GB 의 메모리가 소비된다.
• 특히 sprite 는 20KB 로 다른 필드보다 훨씬 많은 메모리를 소비한다.

필드가 가지는 특성 구분하기

• 필드를 intrinsic state 와 extrinsic state 로 구분할 수 있다.
• intrinsic state
  • 오브젝트에서 공유 가능하며 변하지 않는 (immutable) 프로퍼티를 말한다.
  • 여러 인스턴스에서 공유해도 큰 문제가 되지 않고 독립적인 프로퍼티이다.
  • 내재 상태인 intrinsic state 만 저장하는 오브젝트를 flyweight 오브젝트라고 한다.
  • flyweight 패턴에선 flyweight 오브젝트 자체에 의해 관리된다.
  • 내부에 존재하는 값이라는 뜻을 가지고 있다.
• extrinsic state
  • 각 오브젝트에서 가져야 하는 고유한 (unique) 값이다.
  • 공유되면 안되며, flyweight 오브젝트를 사용하는 클라이언트 코드에서 관리되어야 한다.
  • 외부로부터 생성되는 값이라는 뜻을 가지고 있다.

intrinsic state 를 구분한다면?

• 기존의 20KB + 32B 메모리를 차지하지 않고 32B 만 남게 된다.
• 100만개를 생성해도 32MB 의 메모리만 차지하게 된다.

MonsterFactory 구현하기

• MonsterFactory 를 이용해 Monster 객체를 생성하도록 전략을 바꿨다.
  • 모든 Monster 생성은 MonsterFactory 를 통해 이루어진다.
  • Monster 의 생성자는 막아버린다.
• MonsterFactory 는 Monster 생성 시 sprite 객체 생성에 대한 전략을 갖는다.
  • 몬스터의 sprite 정보가 spriteCache 에 있는지 확인하고 없다면, 새로 생성한다.
  • sprite 정보가 spriteCache 에 존재한다면, 새로 생성하지 않고 이미 만들었던 객체를 같이 쓴다.

나중에 다시 무거운 intrinsic state 가 등장한다면? MonsterFactory 에 해당 캐시를 하나 더 추가해주면 된다.

자바에 적용된 Flyweight 패턴인 스트링 풀 살펴보기

• 자바의 스트링 풀 은 Flyweight Pattern 의 좋은 예이다.
• 테스트코드를 통해 각기 다른 변수에 같은 문자열을 넣었을 때 가리키는 주소가 같다는 사실을 쉽게 알 수 있다.
  • System.identityHashCode() 메서드는 오브젝트가 가리키는 객체의 주소 반환하는 메서드이다.
  • 아래 코드에서 myName1 과 myName2 는 같은 문자열을 가리킨다.

class StringTest {
    @Test
    public void stringAddressTest() {
        String myName1 = "Jake Seo";
        String myName2 = "Jake Seo";

        System.out.println("myName1 = " + System.identityHashCode(myName1)); // 793331940
        System.out.println("myName2 = " + System.identityHashCode(myName2)); // 793331940
    }
}

같은 주소를 가리키는 이유

• 자바는 한번 새로운 문자열을 사용하면 해당 문자열을 '스트링 풀' 이라는 곳에 캐싱한다.
  • 단, 내부 정책에 따라서 수행하므로 너무 길거나 일반적이지 않은 문자라면 캐싱하지 않을 수도 있다.
• 다음에 새로운 문자열이 들어오면 무작정 문자열 객체를 만드는 것이 아니라 '스트링 풀' 에서 해당 문자를 가져와 사용하게 된다.
• 자바 입장에서 String 타입은 불변이어서 intrinsic state 로 바라보게 되기 때문이다.

Flyweight 패턴을 사용할 때 주의점

• intrinsic state 를 다루는 객체는 반드시 instrinsic state 를 immutable 하게 final 로서 다뤄야 한다.
  • 다들 공유하는 상태이기 때문에 바뀌어선 안된다.

Flyweight 패턴의 장점과 단점

장점

• 애플리케이션이 사용하는 메모리를 줄일 수 있다.

단점

• 애플리케이션의 복잡도가 살짝 올라간다.
  • 캐싱에 대한 이해가 있어야 코드 파악이 된다.

레퍼런스

• 백기선님 디자인패턴 강의