디자인패턴: Flyweight 패턴

Flyweight 패턴: 메모리 효율성을 위한 구조적 디자인 패턴

개요

Flyweight 패턴은 GoF(Gang of Four) 디자인 패턴 중 구조적 패턴에 속하는 패턴으로, 대량의 객체를 효율적으로 지원하기 위해 공유를 통해 메모리 사용량을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 이 패턴은 유사한 객체들이 공통으로 사용하는 데이터를 공유함으로써 메모리 풋프린트를 크게 줄일 수 있다.

패턴의 핵심 개념

Flyweight 패턴의 핵심은 객체의 상태를 두 가지로 분리하는 것이다:

• 내부 상태(Intrinsic State): 여러 객체가 공유할 수 있는 상태
• 외부 상태(Extrinsic State): 각 객체마다 고유한 상태

이러한 분리를 통해 내부 상태를 공유함으로써 메모리 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.

실제 구현 사례 분석

사례 1: 사용자 이름 관리 시스템

첨부된 코드에서 User와 User2 클래스는 Flyweight 패턴 적용 전후의 차이를 명확하게 보여준다.

패턴 적용 전 (User 클래스)

public class User
{
    private string fullName;

    public User(string fullName)
    {
        this.fullName = fullName;
    }
}

이 구현에서는 각 User 객체가 전체 이름 문자열을 개별적으로 저장한다. 100개의 이름과 100개의 성을 조합하여 10,000개의 User 객체를 생성할 경우, 중복되는 이름과 성이 있음에도 불구하고 각 객체가 독립적인 문자열을 보유하게 된다.

패턴 적용 후 (User2 클래스)

public class User2
{
    private static List<string> strings = new List<string>();
    private int[] names;
    
    public User2(string fullName)
    {
        int getOrAdd(string s)
        {
            int idx = strings.IndexOf(s);
            if (idx != -1) return idx;
            else
            {
                strings.Add(s);
                return strings.Count - 1;
            }
        }
        names = fullName.Split(' ').Select(getOrAdd).ToArray();
    }
}

User2 클래스는 Flyweight 패턴을 적용하여 다음과 같은 최적화를 구현한다:

1. 문자열 풀(String Pool): 정적 리스트 strings에 모든 고유한 이름 요소를 저장
2. 인덱스 기반 참조: 실제 문자열 대신 인덱스 배열을 사용하여 이름을 표현
3. 중복 제거: 동일한 이름이나 성은 한 번만 저장되고 여러 객체가 공유

이 접근법을 통해 100개의 이름과 100개의 성으로 만든 10,000개의 사용자 객체에서 실제로는 200개의 고유한 문자열만 메모리에 저장된다.

사례 2: 텍스트 포맷팅 시스템

두 번째 예제는 텍스트 포맷팅에서 Flyweight 패턴을 적용하는 방법을 보여준다.

비효율적인 접근법 (FormattedText 클래스)

public class FormattedText
{
    private readonly string plainText;
    private bool[] capitalize;
    
    public FormattedText(string plainText)
    {
        this.plainText = plainText;
        capitalize = new bool[plainText.Length];
    }
}

이 구현에서는 텍스트의 각 문자마다 대문자 변환 여부를 저장하는 boolean 배열을 사용한다. 텍스트가 길어질수록 메모리 사용량이 선형적으로 증가하며, 다양한 포맷팅 옵션(굵게, 기울임 등)을 추가하려면 각각에 대한 별도의 배열이 필요하다.

Flyweight 패턴 적용 (BetterFormattedText 클래스)

public class BetterFormattedText
{
    private string plainText;
    private List<TextRange> formatting = new List<TextRange>();
    
    public TextRange GetRange(int start, int end)
    {
        var range = new TextRange { Start = start, End = end };
        formatting.Add(range);
        return range;
    }
}

개선된 구현에서는 포맷팅 정보를 범위(Range) 객체로 관리한다. 이 접근법의 장점은 다음과 같다:

1. 메모리 효율성: 포맷팅이 적용된 구간만 객체로 저장
2. 확장성: TextRange 클래스에 다양한 포맷팅 속성을 쉽게 추가 가능
3. 유연성: 겹치는 범위나 복잡한 포맷팅 규칙을 효과적으로 처리

성능 측정과 검증

제공된 테스트 코드는 dotMemoryUnit을 사용하여 실제 메모리 사용량을 측정한다:

dotMemory.Check(memory =>
{
    Console.WriteLine(memory.SizeInBytes);
});

이러한 정량적 측정을 통해 Flyweight 패턴 적용 전후의 메모리 사용량 차이를 객관적으로 비교할 수 있다. 일반적으로 대규모 데이터셋에서는 수십 배에서 수백 배의 메모리 절약 효과를 관찰할 수 있다.

적용 시 고려사항

Flyweight 패턴을 적용할 때는 다음 사항들을 고려해야 한다:

장점

• 대량의 유사한 객체를 다룰 때 메모리 사용량을 크게 줄일 수 있음
• 시스템의 확장성 향상
• 캐시 효율성 개선으로 인한 성능 향상 가능

단점

• 코드 복잡도 증가
• 공유 상태 관리에 따른 추가적인 연산 비용
• 멀티스레드 환경에서 동기화 고려 필요

실무 적용 지침

Flyweight 패턴은 다음과 같은 상황에서 특히 유용하다:

1. 문서 편집기: 문자 객체의 폰트, 크기 등 속성 공유
2. 게임 개발: 대량의 동일한 객체(나무, 총알 등) 렌더링
3. 데이터베이스 연결 풀: 연결 객체의 재사용
4. 캐싱 시스템: 자주 사용되는 데이터의 공유

결론

Flyweight 패턴은 메모리 최적화가 중요한 시스템에서 필수적인 디자인 패턴이다. 제시된 예제들은 이 패턴이 어떻게 실제 코드에서 구현되고, 얼마나 효과적으로 메모리를 절약할 수 있는지를 명확하게 보여준다. 특히 대규모 데이터를 다루는 현대 애플리케이션에서는 이러한 최적화 기법이 시스템의 성능과 확장성을 결정짓는 중요한 요소가 될 수 있다.

적절한 상황에서 Flyweight 패턴을 적용한다면, 메모리 효율성과 시스템 성능을 동시에 개선할 수 있을 것이다. 다만, 패턴 적용에 따른 복잡도 증가와 유지보수성을 함께 고려하여 균형잡힌 설계 결정을 내리는 것이 중요하다.