노드 공식 사이트에서 다음과 같이 노드를 설명하고 있다.
Node.js는 Chrome V8 Javascript 엔진으로 빌드된 Javascrpit 런타임입니다.
1. 노드의 특성
1-1. 노드는 런타임이다.
서버
서버란 네트워크를 통해 클라이언트에 정보나 서비스를 제공하는 컴퓨터 혹은 프로그램.
브라우저가 url로 해당 서버 컴퓨터의 위치 파악 -> 요청 -> 서버 컴퓨터가 HTML 페이지 전송 -> 브라우저가 HTML 페이지 띄움.
런타임
런타임이란 특정 언어로 만든 프로그램들을 실행할 수 있는 환경.
즉, 노드는 자바스크립트의 실행기라고 볼 수 있다.
[노드의 내부 구조]
노드는 V8 엔진과 libuv라는 라이브러리를 사용한다.
이것들은 C와 C++로 이루어져 있지만. 노드가 알아서 자바스크립트 -> C or C++로 변환해 준다.
추가로 libuv는 이벤트 기반, 논 블로킹 I/O 모델이라는 노드의 특성을 구현하고 있다.
1-2. 이벤트 기반이다.
이벤트 기반이란 이벤트가 발생할 것을 대비해 미리 작업을 지정해둔 다음, 해당 이벤트가 발생했을 때 미리 지정해둔 작업을 수행하는 것.
(이벤트 ex -> 클릭, 네트워크 요청 등)
이벤트 기반 시스템에서 특정 이벤트가 발생할 때 무엇을 할지 미리 등록하는 것을 이벤트 리스너에 콜백 함수를 등록한다고 표현한다.
ex) A라는 이벤트가 발생 시 B라는 작업을 하는 것 -> A 이벤트 리스너에 B 콜백 함수를 등록한다.
노드는 이벤트 기반이기 때문에 다음과 같이 동작한다.
이벤트가 발생 -> 콜백 함수를 호출 -> 모두 처리했다면 다음 이벤트 발생까지 대기.
노드는 이벤트가 동시에 발생하면 어떤 순서로 콜백 함수를 호출할지를 이벤트 루프로 판단한다.
이벤트 루프 : 이벤트 발생 시 호출할 콜백 함수들을 관리하고, 호출된 콜백 함수의 실행 순서를 결정하는 역할을 담당. 노드가 종료될 때까지 이벤트 처리를 위한 작업을 반복하므로 루프라고함.
백드라운드 : setTimeout() 같은 타이머나 이벤트 리스너들이 대기하는 곳. 자바스크립트가 아닌 다른 언어로 작성된 프로그램이라고 봐도 무방. 여러 작업이 동시에 실행될 수 있음.
태스크 큐 : 이벤트 발생 후, 백그라운드에서는 태스크 큐로 타이머나 리스너의 콜백 함수를 보냄. 정해진 순서대로 콜백들이 줄을 서 있으므로 콜백 큐라고도 부름. 콜백들은 보통 완료된 순서대로 줄을 서 있지만 특정한 경우에는 순서가 바뀌기도 함.
1-3. 논 블로킹을 사용한다.
작업에는 두 가지 종류가 있다. (1)동시에 실행될 수 있는 작업과 (2)동시에 실행될 수 없는 작업.
자바스크립트 코드는 (2)에 해당하지만 I/O 작업은 (1)에 해당한다.
논 블로킹이란 이전 작업이 완료될 때까지 대기하지 않고, 다음 작업을 수행하는 것. 단, 작업이 (1) 경우에 해당되어야 한다.
논 블로킹 방식으로 처리 시간을 단축시킬 수 있다.
1, 3, 5는 (1) 경우. 2, 4는 (2) 경우의 작업이라 가정하면
1 2 3 4 5의 순서대로 호출하면 약 5초가 소요된다.
하지만 호출 순서를 바꿔 1, 3, 5를 호출한 뒤 2, 4를 호출하면 1, 3, 5는 논 블로킹으로 처리되기 때문에 약 3초의 시간이 소요된다.
1-4. 싱글 스레드를 사용한다.
싱글 스레드란 말 그대로 스레드가 1개 존재하는 것을 의미함 -> 이러한 이유 때문에 자바스크립트 코드는 동시에 실행할 수 없다.
프로세스는 운영체제에서 할당하는 작업의 단위. 노드나 웹 브라우저 같은 프로그램은 개별적인 프로세스이다. 프로세스 간에는 메모리 등의 자원을 공유하지 않는다.
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위. 프로세스는 스레드를 여러 개 생성해 여러 작업을 동시에 처리할 수 있다. 스레드들은 부모 프로세스의 자원을 공유한다. 같은 주소의 메모리에 접근 가능하므로 데이터를 공유할 수 있다.
노드가 싱글 스레드라고 이야기하는데 엄밀히 말하면 스레드가 1개인 것은 아니다.
노드 실행 -> 프로세스 1개 생성 -> 내부적으로 스레드를 여러 개 생성함.
But 우리가 직접 제어할 수 있는 스레드가 1개뿐이어서 흔히 노드는 싱글 스레드라고 여겨진다.
++스레드풀과 워커 스레드
노드가 싱글 스레드로 동작하지 않는 두 가지 경우가 있다. 그 두 가지가 스레드풀과 워커 스레드이다.
- 스레드풀은 노드가 특정 동작을 수행할 때 스스로 멀티 스레드를 사용함.
-> 암호화, 파입 일출력, 압축 등- 워커 스레드는 노드 12 버전에서 안정화된 기능으로 노드에서도 멀티 스레드를 사용할 수 있게 되었다. 직접 여러 스레드를 다룰 수 있기 때문에 CPU 작업이 많은 경우 사용 가능.
여러가지 케이스
1) 싱글 스레드, 블로킹
점원 1명, 손님 여러 명.
점원이 1번 손님의 주문을 받음 -> 주방에서 음식이 나올 때까지 대기 -> 주방에서 음식이 나오면 1번 손님에게 서빙 -> 2번 손님의 주문을 받음.
장점 : 점원이 1명임.
단점 : 일처리가 매우 느리고 비효율 적임.
2) 싱글 스레드, 논 블로킹
점원 1명, 손님 여러 명.
점원이 모든 손님에게 주문을 받음 -> 주방에 전달 -> 음식이 나온 순서대로 서빙
즉, 현실에서 음식점의 홀과 비슷하다고 보면 됨.
장점 : 효율 극대화 -> 점원 1명이 모든 일을 처리.
단점 : 점원이 아파서 일을 못하는 경우 모든 일이 마비됨.
3) 멀티 스레드, 블로킹
점원 수 = 손님 수.
점원 1명이 손님 1명을 1:1로 마킹하는 방식.
즉, 현실에서 백화점 명품관에서 1:1로 손님을 응대하는 방식이라 보면 됨.
장점 : 점원 1명이 아파도 다른 점원으로 대체 가능.
단점 : 손님에게 서빙을 한 후, 손님이 나가고 다른 손님을 받기까지 점원이 할 일이 없음.
4) 멀티 스레드, 논 블로킹
멀티 스레드의 장점과 논 블로킹의 장점을 섞음.
점원 수 = 손님 수.
모든 점원이 필요한 곳에 가서 주문을 받고 필요한 곳으로 서빙.
장점 : 가장 좋음
단점 : 프로그래밍이 어려움
때문에 멀티 스레드 방식보단 멀티 프로세싱 방식을 사용함. 또한 I/O 요청에는 멀티 프로세싱이 더 효율적임.
| 멀티 스레딩 | 멀티 프로세싱 |
|---|---|
| 하나의 프로세스 안에서 여러 개의 스레드 사용 | 여러 개의 프로세스 사용 |
| CPU 작업이 많을 때 사용 | I/O 요청이 많을 때 사용 |
| 프로그래밍이 어려움 | 프로그래밍이 비교적 쉬움 |
2. 서버로서의 노드
노드는 다양한 케이스 중 싱글 스레드, 논 블로킹을 사용한다.
다음 표는 이로 인해 발생하는 서버로서의 노드의 장단점이다.
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| 멀티 스레드 방식에 비해 적은 컴퓨터 자원 사용 | 기본적으로 싱글 스레드라서 CPU 코어를 하나만 사용 |
| I/O 작업이 많은 서버로 적합 | CPU 작업이 많은 서버로는 부적합 |
| 멀티 스레드 방식보다 쉬움 | 하나뿐인 스레드가 멈추지 않도록 관리가 필요함 |
| 웹 서버가 내장되어 있음 | 서버 규모가 커졌을 때 서버를 관리하기 어려움 |
| 자바스크립트를 사용함 | 어중간한 성능 |
| JSON 형식과 쉽게 호환됨 |
출처 : Node.js 교과서 (개정 2판) - 조현영 지음
