[Node.js] DAY 1. 노드의 핵심 개념

🐱‍💻 『Node.js 교과서』(조현영, 2020)을 한 장씩 읽습니다.

  서버 사이드 프로그래밍을 하기 위해 Node.js를 사용한다는데, 서버란 무엇인가요?  

서버와 클라이언트

서버와 클라이언트의 관계를 식당 주인과 손님이라고 생각하면 이해하기 쉽다. 식당 손님은 식당 주인에게 어떤 음식을 요청하고 식당 주인은 요청 받은 음식을 제공한다. 이와 같이 클라이언트는 서버에게 정보나 서비스를 요청하고, 서버는 클라이언트에게 요청 받은 정보나 서비스를 제공한다. 서버와 클라이언트는 요청하고, 제공하는 역할에 따라 붙여진 이름이다. 초밥집 사장님도 김밥집에 가서 김밥을 시키면 클라이언트가 된다. 그렇기 때문에 상황에 따라 클라이언트는 브라우저일 수도 있고, 데스크톱 프로그램일 수도 있고, 모바일 앱일 수도 있고, 다른 서버에 요청을 보내는 서버 컴퓨터일 수도 있다.

  왜 다른 언어를 사용하지 않고 굳이 노드를 사용해 서버를 만드나요?  

노드의 특성

 

1. Javascript Runtime

  Node.jsⓇ는 Chrome V8 Javascript 엔진으로 빌드된 Javascript 런타임  

런타임은 특정 언어로 만든 프로그램을 실행할 수 있는 환경을 말한다. 기존에는 브라우저에만 자바스크립트 런타임이 내장되어 있었기 때문에, 자바스크립트 프로그램은 웹 브라우저 위에서만 실행할 수 있었다. 구글이 다른 엔진과 다르게 매우 빠른 V8 엔진을 출시하면서 Ryan Dahl은 2009년 V8 엔진 기반의 노드 프로젝트를 시작했다. 이제 노드라는 런타임 환경을 통해 브라우저 밖에서도 자바스크립트로 모든 걸 할 수 있게 되었다.

2. Event Driven

이벤트 기반이란 이벤트가 발생할 때 미리 지정해둔 작업을 수행하는 방식을 말한다. 이벤트 리스너에 콜백 함수를 등록해놓고 이벤트가 발생할 때마다 콜백 함수가 실행되게 하는 것이다. 여러 이벤트가 동시에 발생했을 때는, 이벤트 루프가 어떤 순서로 콜백 함수를 호출할지 판단해서 호출 스택에 쌓아놓는다. 호출 스택에 쌓인 함수가 실행될 때, 타이머나 이벤트 리스너의 콜백 함수를 여러 작업이 동시에 실행될 수 있는 백그라운드로 보낸다. 타이머 시간이 다 되거나 이벤트가 발생하면 백그라운드에서는 태스크 큐로 타이머나 이벤트 리스너의 콜백 함수를 보낸다. 이벤트 루프는 호출 스택에 있는 함수가 다 실행되어 호출 스택이 비어 있으면 태스크 큐에서 함수를 하나씩 가져와 호출 스택으로 올려 실행한다.

3. Non-Blocking I/O

I/O란 입력(Input)과 출력(Output)으로, 컴퓨터에서 파일이나 데이터베이스를 읽고 쓰거나 네트워크에 요청을 하고 응답을 받아 오는 등의 행동을 말한다. 논 블로킹이란 이전 작업이 완료될 때까지 대기하지 않고 다음 작업을 수행하는 것을 말한다. 자바스크립트는 싱글 스레드이기 때문에 자바스크립트 코드는 동시에 실행될 수 없다. 하지만 노드는 I/O 작업을 백그라운드로 넘겨 동시에 처리할 수 있다. 코드를 논 블로킹으로 만들기 위해 'setTimeout(콜백 함수, 타이머 시간)'이나 'setImmediate(콜백 함수)'를 사용한다. 논 블로킹 방식으로 코드를 작성한다고 모든 작업이 동시에 실행될 수 있는 것은 아니다. 동시 처리가 가능한 작업을 논 블로킹 처리해야 동시에 실행시킬 수 있다. 논 블로킹은 비동기 개념과 유사하다.

4. Single Thread

운영체제에서 여러가지 프로그램을 동시에 실행하게 되면 프로그램마다 프로세스가 할당된다. 프로세스는 프로그램과 비슷하다고 보면 된다. 프로세스가 병렬적으로 실행되는 것처럼 보이지만 사실 컴퓨터가 빠른 속도로 프로세스를 할당하면서 병렬적으로 실행되는 것처럼 보이게 하는 것이다.
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다. 프로세스의 작업을 처리하는 일손과 같은 개념이다. 한 프로세스에 3개의 스레드가 생성되어 있다면 한 식당에 점원이 3명 있는 것과 같다. 프로세스 여러 개를 동시에 실행하는 것처럼 보이게 하는 것처럼 음악을 재생하는 스레드, 파일을 주고 받는 스레드, 스트리밍을 하는 스레드 등 원하는 기능마다 개별적인 스레드를 만들어서 한 프로세스 안에서 여러가지 스레드를 동시다발적으로 실행하는 것처럼 보이게 할 수 있다.

엄밀히 말하면 노드는 싱글 스레드로 동작하는 것은 아니지만 직접 제어할 수 있는 스레드가 하나뿐이기 때문에 싱글 스레드라고 여겨진다. 그래서 노드는 I/O 작업을 효율적으로 처리하기 좋지만 CPU 작업(연산이 많은 작업)을 처리하기에는 적합하지 않다. 하지만 노드의 '워커 스레드'라는 기능으로 멀티 스레드를 사용할 수 있게 되었기 때문에 CPU 작업은 워커 스레드를 사용하면 된다.
싱글 스레드, 블로킹 모델은 점원이 한 명 있고, 이전 손님 요리가 나와야 다음 손님 요리의 주문을 받는 식당에 비유할 수 있다. 싱글 스레드, 논 블로킹 모델은 여전히 점원은 한 명 있지만, 점원이 이전 손님 요리가 끝나기까지 기다리는 대신 주문이 들어왔다는 사실만 주방에 계속 알려주고 요리가 완료되면 완료된 순서대로 손님에게 서빙하는 식당에 비유할 수 있다. 멀티 스레드는 손님 한 명이 올 때마다 점원도 한 명씩 붙어 주문을 받고 서빙하는 식당에 비유할 수 있다.

멀티 스레드가 꼭 좋은 것만은 아니다. 스레드가 동작하기 위해서 필요한 정보들을 개별적으로 만들어야 하기 때문에 메모리 사용량이 증가할 수 있고, 스레드 개수가 많아지면 여러가지 스레드를 스케줄링해서 순차적으로 다 기회를 줘야 하기 때문에 비용이 발생한다. 또, 여러가지 스레드가 프로세스 안에 있는 공통된 리소스에 접근하게 되면 어떤 스레드가 업데이트하는 동안 다른 스레드는 그 리소스를 더이상 쓸 수가 없는 등의 일들이 발생할 수 있다.

  그래서 노드로 서버를 만들면 뭐가 좋은 건가요?  

서버로서의 노드

장점

• 서버에는 I/O 요청이 많이 발생하므로, I/O 처리를 잘하는 노드를 서버로 사용하면 좋다.
• 네트워크나 데이터베이스, 디스크 작업과 같은 I/O에 특화되어 있기 때문에 개수는 많지만 크기는 작은 데이터를 실시간으로 주고 받는 데에 적합하다.
  • (예시) 실시간 채팅 애플리케이션, 주식 차트, JSON 데이터를 제공하는 API 서버
• 멀티 스레드 방식보다 상대적으로 쉬우므로 쉽게 입문할 수 있다.
• 웹 서버가 내장되어 있어 입문자가 쉽게 접근할 수 있다.
• 자바스크립트를 사용하기 떄문에 하나의 언어로 웹 사이트를 개발할 수 있어 개발 생산성을 획기적으로 높일 수 있다.
• JSON을 쉽게 처리할 수 있다.

 

단점

• 코드가 모두 스레드 하나에서 처리되기 때문에 CPU 부하가 큰 작업(이미지, 비디오 처리, 대규모 데이터 처리)에는 적합하지 않다.
• 워커 스레드 기능으로 멀티 스레드 작업을 할 수는 있지만 멀티 스레드 프래그래밍을 하더라도 C, C++, Rust, Go와 같은 언어에 비해 속도가 많이 느리다.
• 하나뿐인 스레드가 에러로 인해 멈추지 않도록 잘 관리해야 한다.
• Go처럼 비동기에 강점을 보이는 언어나 nginx처럼 정적 파일 제공, 로드 밸런싱에 특화된 웹 서버에 비해서 속도가 느리다.