Spring과 Node.js의 특징 및 성능 비교

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0. 학습 동기와 배경

근 1년동안 스프링을 공부를 해왔고, Node.js는 이번 오픈소스 컨트리뷰션 활동을 하면서 새롭게 공부를 하게 되었는데, 내가 기존에 공부했던 Spring과 이번에 새로 배우고 있는 Node.js가 어떤 차이점이 있는지 궁금해서 찾아보게 되었다.

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1. Spring과 Node.js: 기술 개요

1) Spring

Spring 개념

• Spring이란 Java 기반의 애플리케이션 프레임워크이다.

  더 정확히, 스프링의 본질은 객체 지향 프레임워크에 더 가깝다. 순수 자바만으로 객체 간의 의존관계 설정과 디자인 패턴의 구현, 관심사의 분리 등을 하기란 매우 힘든 일이며, 확장이나 모듈의 재사용도 어렵다. 그래서 스프링이 관리하는 컨테이너에 빈(Bean)으로써 객체를 등록하고, 빈의 관리와 제어를 개발자가 아닌 스프링이 하게 되어(제어 역전), 개발자는 확장이나 재사용이 유리하게 된다.

Spring 등장 전

2000년대 초반, Java로 엔터프라이즈 애플리케이션을 개발하는 데 있어 복잡한 EJB(Enterprise JavaBeans) 모델이 주로 사용되었다. EJB는 강력한 기능을 제공했지만, 설정이 복잡하고 무거워 개발자들이 사용하기 어려웠다. 개발자들은 더 간단하면서도 유연한 개발 프레임워크에 대한 필요성을 느끼고 있었다.

EJB(Enterprise Java Bean) : 기업환경의 시스템을 구현하기 위한 서버 측 컴포넌트 모델이다. 일반적으로 업무 로직을 가지고 있는 서버 어플리케이션을 EJB라고 한다.
EJB는 비즈니스 객체들을 관리하는 컨테이너를 만들어서 필요할 때마다 꺼내쓰자라는 아이디어에서 시작되었다. 하지만 EJB의 복잡한 설정과 환경 의존성, 강한 결합도, 테스트의 어려움 등 비즈니스 로직을 컨테이너에 의존하도록 하는 문제점이 존재하였다.

Spring 등장 후

Spring은 2003년에 등장하여, 경량 컨테이너와 POJO(Plain Old Java Object) 기반 개발을 통해 Java 개발의 복잡성을 크게 줄였다.
Spring의 등장으로 DI(Dependency Injection)와 AOP(Aspect-Oriented Programming)가 널리 사용되며, 모듈화된 애플리케이션 개발이 가능해졌다.
이를 통해 Java는 더욱 효율적이고 생산적인 엔터프라이즈 애플리케이션 개발 플랫폼으로 자리 잡았다.

2) Node.js

 Node.js는 JavaScript 코드를 브라우저 밖에서 실행할 수 있게 해주는 런타임 환경이다. 구체적으로 설명하자면 C++로 작성된 Google의 고성능 오픈소스 V8 Javascript 엔진을 사용하여 Javascript로 만든 프로그램을 실행시켜주는 환경이라고 할 수 있다. 정리하자면 Node.js는 언어가 아닌, Javascript 언어가 실행될 수 있도록 해주는 환경이다.

Node.js 등장 전

이전의 Javascript는 스크립트 언어로 특정 웹 브라우저 안에서만 동작이 가능하였다. 즉 독립적으로 사용이 불가능하였다.
또한 Server-Client로 동작하는 웹/앱에서 이전에는 Javascript로 웹에서 표시되는 Client만 구현이 가능하였다.

Node.js 등장 후

Node.js의 등장으로 Javascript 런타임 환경이 만들어져, 브라우저 밖 환경에서 Javascript를 실행할 수 있게 되었다.
즉, 웹 브라우저와 무관한 Javascript만으로 이루어진 독립적인 프로그램을 만들 수 있게 되었다.
뿐만 아니라 Server-Client로 동작하는 웹/앱에서 Server 부분에서도 Javascript를 사용할 수 있게 되었다.

2. Spring과 Node.js: 특징 비교

1) Spring 특징

(1) 경량 컨테이너로서 자바 객체를 직접 관리한다. 각각의 객체 생성, 소멸과 같은 라이프 사이클을 관리하며 스프링으로부터 필요한 객체를 얻어올 수 있다.
(2) Spring은 POJO(Plain Old Java Object) 방식의 프레임워크이다. 일반적인 J2EE 프레임워크에 비해 구현을 위해 특정한 인터페이스를 구현하거나 상속을 받을 필요가 없어 기존에 존재하는 라이브러리 등을 지원하기에 용이하고 객체가 가볍다.

(3) Spring은 제어의 역전(IoC : Inversion of Control)을 지원한다. 메서드나 객체의 호출이 개발자가 결정하는 것이 아닌 외부에서 결정된다는 것이다.
(4) Spring은 의존성 주입(DI : Dependency Injection)을 지원한다. 객체가 필요로 하는 의존 객체를 외부에서 제공(주입)하는 방식을 의미한다.
(5) Spring은 관점 지향 프로그래밍(AOP : Aspect-Oriented Programming)을 지원한다. 따라서 트랜잭션이나 로깅, 보안과 같이 여러 모듈에서 공통적으로 사용하는 기능의 경우 해당 기능을 분리하여 관리함으로써, 중복되는 코드를 모듈화 하고 핵심적인 비즈니스 로직에서 분리하여 재사용.

2) Node.js 특징

(1) 싱글 쓰레드

• 하나의 프로그램에서 하나의 코드만 실행된다. 따라서 하나의 힙 영역과 하나의 콜 스택을 가진다.
• 쓰레드가 I/O Request를 받으면, 다른 처리로 요청을 보내두고 다른 작업을 처리한다. 그 후 요청하였던 작업이 끝나면 해당 이벤트를 받아 Response 해준다.
• 즉, 동시에 여러 Request가 오더라도, 해당 I/O를 기다리지 않아도 되기 때문에 서버의 부하가 줄어들게 된다.
• 또한 싱글쓰레드를 사용하기 때문에 멀티 쓰레드에 비해 메모리 절약적인 측면에서 효율적이다.
• 이 때 이벤트 루프가 싱글 스레드로 처리하는 것이고, 내부적인 아키텍처를 살펴보면 C++로 작성된 libuv에 쓰레드 풀이 존재하고 있다. 즉 Node.js는 I/O Request시 쓰레드 풀에 요청을 던지는 것이다.

(2) 이벤트 루프(Event Loop) 기반

• libuv라는 이벤트 기반(Event-Driven), 논 블로킹(Non-Blocking) I/O 모델을 구현한 라이브러리를 사용한다.
• 이벤트 기반은 이벤트가 발생할 때 지정해둔 작업을 수행하는 방식으로, 이벤트가 발생하면 Node.js는 지정해둔 콜백함수를 실행하고, 이벤트가 끝나면 Node.js는 다음 이벤트 발생시까지 기다린다.
• 이 때 이벤트 루프(Event Loop)가 여러 이벤트가 발생 시, 콜백함수의 호출 순서를 판단하고 이벤트가 종료될 때까지 작업을 반복한다.

(3) 논 블로킹(Non-Blocking) I/O

• Node.js는 논 블로킹 I/O의 특성을 활용하여 오래 걸리는 작업을 효율적으로 처리한다.
  블로킹은 특정 작업이 수행되는 동안 특정 작업이 제한되는 것인데 Node.js는 비동기 방식을 통하여 블로킹이 되지 않게끔 한다.
  이 때 비동기란 어떠한 작업이 끝날때 까지 기다리지 않고 다른 작업을 동시에 진행 함을 의미한다.
  즉, Node.js는 함수 호출이 발생시, 요청을 쌓아두어 동시에 처리하고 요청이 완료된 순서대로 처리한다. 

여기서 궁금했던 점이 비동기랑 멀티 쓰레드랑 헷갈렸다. 그래서 찾아본 결과..

스레드 풀을 통해 비동기 작업이 병렬로 처리될 수 있음을 알 수 있다.

실제로 내부 구조를 확인 해보면 libuv 라이브러리 안에 Event Loop와 Worker Thread Pool을 통해 싱글 스레드로 작동됨을 알 수 있다 !!

3. Spring과 Node.js: 성능 비교

Spring과 Node.js 성능 비교 표

성능 비교 항목	Node.js	Spring
단순 CPU 작업	성능 열위 (단일 스레드 이벤트 루프 구조로 성능 저하 가능)	성능 우위 (멀티스레드 환경을 통해 안정적 성능)
간단한 I/O 요청	성능 우위 (비동기 I/O로 빠른 응답)	성능 열위 (기본적으로 스레드 기반 처리, Spring 5부터 개선)
복잡한 CPU 작업 / 많은 I/O 요청	성능 열위 (이벤트 루프 차단 가능성 존재)	성능 우위 (멀티스레드로 안정적 처리 가능)
대규모 동시 연결 처리	매우 효율적 (비동기 처리로 많은 연결 처리 가능)	제한적 (스레드 풀 크기에 따라 동시 연결 제한)
메모리 사용량	상대적으로 적음 (경량의 단일 스레드 사용)	상대적으로 많음 (여러 스레드로 인한 메모리 오버헤드 발생)
스케일링	수평적 스케일링 용이 (서버 인스턴스 추가가 쉬움)	수직적 스케일링 주로 사용 (클라우드 환경에서 수평적 스케일링 가능하나 설정 복잡)
Latency (대기 시간)	짧은 대기 시간 (비동기 처리로 대기 시간 최소화)	변동 가능 (스레드 풀 상태에 따라 대기 시간 증가 가능)
CPU 집약적 작업	성능 열위 (단일 스레드로 성능 저하 가능)	성능 우위 (멀티스레딩으로 안정적 처리 가능)

더 구체적인 내용을 chatGPT의 도움을 빌려 찾아보았다.

1. 단순 CPU 작업

• Node.js:

  • 단일 스레드 이벤트 루프: Node.js는 단일 스레드 이벤트 루프 모델을 사용합니다. 이 모델은 비동기 작업을 처리하는 데 뛰어나지만, CPU 집약적인 작업에서는 비효율적일 수 있습니다. 예를 들어, 복잡한 계산 작업이 실행되면 이벤트 루프가 차단되어 다른 작업이 지연될 수 있습니다.
  • 워크어 스레드 사용 가능: Node.js는 이러한 단점을 보완하기 위해 워커 스레드를 사용할 수 있지만, 기본적으로는 멀티스레딩이 아닌 단일 스레드 모델이기 때문에 CPU 작업에서는 성능이 떨어질 수 있습니다.

• Spring:

  • 멀티스레드 환경: Spring은 Java의 멀티스레드 모델을 활용하여 CPU 집약적인 작업을 병렬로 처리할 수 있습니다. 여러 스레드가 동시에 작업을 처리하므로, CPU를 많이 사용하는 작업에서도 성능이 안정적으로 유지됩니다.
  • Thread Pool 관리: Spring은 스레드 풀(Thread Pool)을 통해 다수의 CPU 작업을 효율적으로 분배하여 처리할 수 있습니다.

2. 간단한 I/O 요청

• Node.js:

  • 비동기 I/O 처리: Node.js는 비동기식 논블로킹 I/O 모델을 채택하여 파일 시스템, 데이터베이스, 네트워크 요청과 같은 I/O 작업에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 이는 서버가 I/O 작업을 기다리는 동안 다른 작업을 동시에 처리할 수 있게 해줍니다.
  • 이벤트 기반 구조: Node.js는 이벤트 기반이기 때문에, 수많은 간단한 I/O 작업을 처리할 때 매우 빠르게 응답할 수 있습니다.

• Spring:

  • 전통적 스레드 기반 처리: Spring은 전통적으로 스레드 기반의 동기 I/O 처리를 사용합니다. 이는 각 요청이 별도의 스레드에서 처리되며, I/O 작업이 끝날 때까지 해당 스레드가 대기하게 됩니다. 이 방식은 간단한 I/O 작업에서는 상대적으로 느릴 수 있습니다.
  • 비동기 I/O 지원: Spring 5 이후, 비동기 및 논블로킹 I/O 처리 방식을 지원하면서 성능이 향상되었습니다. 그러나 여전히 비동기 처리가 기본 옵션은 아니므로 설정이 필요합니다.

3. 복잡한 CPU 작업 / 많은 I/O 요청

• Node.js:

  • 이벤트 루프 차단 위험: 많은 CPU 작업이나 복잡한 I/O 작업이 동시에 발생하면 이벤트 루프가 차단될 가능성이 큽니다. 이 경우 전체 응답성이 떨어질 수 있습니다.
  • 클러스터링 및 워커 스레드 사용: Node.js는 클러스터링 또는 워커 스레드를 통해 이러한 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 기본적으로는 CPU 집약적인 작업에는 적합하지 않습니다.

• Spring:

  • 안정적 처리: 멀티스레드 구조를 활용해 많은 I/O 요청과 복잡한 작업을 안정적으로 처리할 수 있습니다. Spring의 스레드 풀은 복잡한 작업을 여러 스레드에 분배하여 처리하므로 이벤트 루프 차단 문제를 피할 수 있습니다.
  • 확장 가능성: Spring은 시스템 자원에 따라 더 많은 스레드를 생성할 수 있어, 복잡한 작업을 더 효율적으로 처리할 수 있습니다.

4. 대규모 동시 연결 처리

• Node.js:

  • 비동기 처리로 효율적: Node.js는 비동기 I/O 모델을 사용하여 대규모 동시 연결을 매우 효율적으로 처리할 수 있습니다. 서버가 각 연결에 대해 새로운 스레드를 생성할 필요 없이, 비동기 이벤트 루프에서 모든 연결을 처리할 수 있습니다.
  • 실시간 애플리케이션에 유리: 웹소켓이나 실시간 데이터 처리 애플리케이션에서 Node.js는 특히 강력합니다.

• Spring:

  • 스레드 풀 기반 처리: Spring은 각 연결에 대해 스레드를 할당하므로, 동시 연결 수가 스레드 풀의 크기에 제한됩니다. 스레드 풀의 크기를 조정하면 어느 정도 확장할 수 있지만, 물리적 리소스 한계로 인해 Node.js만큼 많은 동시 연결을 효율적으로 처리하기는 어렵습니다.
  • 비동기 처리로 개선 가능: 비동기 처리를 도입하면 동시 연결 수를 늘릴 수 있지만, Node.js의 기본 구조만큼 효율적이지는 않을 수 있습니다.

5. 메모리 사용량

• Node.js:

  • 경량 구조: Node.js는 단일 스레드 모델로 작동하므로, 상대적으로 적은 메모리를 사용합니다. 메모리 사용량이 적기 때문에 서버 자원을 효율적으로 사용할 수 있습니다.
  • 프로세스 오버헤드 감소: Node.js 애플리케이션은 가벼운 프로세스이므로 메모리 오버헤드가 낮습니다.

• Spring:

  • 스레드 오버헤드: 여러 스레드를 사용하는 Spring은 상대적으로 많은 메모리를 소비합니다. 각 스레드는 자체 스택 메모리를 사용하기 때문에 메모리 오버헤드가 발생합니다.
  • JVM 메모리 관리: Java 애플리케이션은 JVM에서 동작하므로, JVM의 메모리 관리 방식에 따라 추가적인 메모리 사용이 있을 수 있습니다.

6. 스케일링

• Node.js:

  • 수평적 스케일링 용이: Node.js는 수평적 스케일링, 즉 서버 인스턴스를 여러 개 추가하는 방식으로 확장하기 쉽습니다. 이를 통해 부하를 여러 서버에 분산시킬 수 있습니다.
  • 클러스터링: Node.js는 클러스터 모듈을 사용하여 단일 머신에서도 여러 프로세스를 실행해 수평적 스케일링 효과를 얻을 수 있습니다.

• Spring:

  • 전통적으로 수직적 스케일링: Spring은 서버의 자원(CPU, 메모리)을 증대시켜 성능을 향상시키는 수직적 스케일링을 주로 사용해 왔습니다. 이는 서버의 하드웨어 성능을 높이는 방식으로, 설정이 단순하지만 한계가 있습니다.
  • 클라우드 환경에서의 수평적 스케일링: 클라우드 환경에서는 Spring 애플리케이션도 수평적 스케일링이 가능하며, 이를 통해 여러 인스턴스를 운영할 수 있지만 설정과 관리가 복잡해질 수 있습니다.

7. Latency (대기 시간)

• Node.js:

  • 비동기 처리로 짧은 대기 시간: Node.js는 비동기 처리를 통해 각 작업이 차단되지 않도록 하여, 전체적으로 짧은 대기 시간을 유지할 수 있습니다. 이는 특히 많은 요청이 동시에 들어오는 경우에 유리합니다.
  • 실시간 애플리케이션에 적합: 낮은 대기 시간이 필요한 실시간 애플리케이션에 적합합니다.

• Spring:

  • 스레드 풀에 의존: Spring은 스레드 풀에 의존하기 때문에, 스레드 풀이 가득 차면 대기 시간이 길어질 수 있습니다. 스레드 풀의 크기를 조정하여 이를 완화할 수 있지만, 자원 한계로 인해 Node.js만큼 짧은 대기 시간을 유지하기 어려울 수 있습니다.
  • 비동기 처리로 개선 가능: 비동기 처리를 사용하면 대기 시간을 줄일 수 있지만, 기본적으로는 Node.js보다 대기 시간이 길어질 수 있습니다.

8. CPU 집약적 작업

• Node.js:

  • 이벤트 루프 차단 위험: CPU 집약적인 작업이 이벤트 루프를 차단하면, 전체 응답성이 저하됩니다. Node.js는 단일 스레드로 동작하기 때문에, 이러한 작업이 장시간 실행되면 다른 요청이 처리되지 않고 대기하게 됩니다.
  • 워커 스레드 및 클러스터링: 이러한 한계를 극복하기 위해 워커 스레드나 클러스터링을 사용할 수 있지만, 기본적으로는 멀티스레드 환경에 비해 성능이 떨어질 수 있습니다.

• Spring:
  - 안정적 성능: 멀티스레딩을 활용하여 CPU 집약적인 작업을 여러 스레드로 분배하여 처리할 수 있으므로, 작업이

  전체 시스템 성능에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
  - 스레드 풀 관리: 스레드 풀을 적절히 관리하면 CPU 작업의 부하를 효율적으로 분산할 수 있어, 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다.

이렇듯, Node.js와 Spring은 각각의 강점과 약점을 지니고 있으며, 애플리케이션의 요구 사항에 따라 적절히 선택해야 되는 것 같다. Node.js는 비동기 I/O 처리와 실시간 연결이 많은 애플리케이션에 적합하고, Spring은 복잡한 비즈니스 로직과 멀티스레딩이 필요한 CPU 집약적 작업에 강점을 보인다. 애플리케이션의 성격과 요구 사항을 고려하여 적절하게 선택하는 게 중요하다.

4. 느낀점

이번 Spring vs Node.js 비교를 해보면서 기존에 쓰고 있던 Spring에 대해 더 자세히 알게 되었고, 이번에 공부하고 있는 Node.js에 대해 새로운 내용을 얻어갈 수 있었어서 좋았다. 특히 Node.js가 싱글 스레드인데, 어떻게 비동기 처리를 할 수 있는지 궁금했다. 찾아보니 Node.js는 이벤트 루프와 싱글 스레드 기반의 논블로킹 I/O 모델을 사용하여 처리할 수 있다고 한다. 이러한 궁금했던 내용들을 시간 내서 찾아보니 Node.js에 대한 새로운 안목과 언어에 대한 이해도가 정리하기 전보다 많이 높아졌다. 더 다양한 내용을 공부하면서 두 언어에 대해 자세히 공부해보고 싶다는 생각이 들었다.

5. 참고문헌 및 추가 자료

[Node.js vs Spring] Node.js vs Spring의 차이
Spring vs Node.js + Express 비교
Node.js와 Spring 비교
Node.js 와 스프링의 차이 🤫