Node.js 구조와 동작원리

Node.js

Node.js® is a free, open-source, cross-platform JavaScript runtime environment that lets developers create servers, web apps, command line tools and scripts.

 

Node.js는 무료 오픈소스 크로스 플랫폼 자바스크립트 런타임 환경이며, 개발자들이 서버, 웹앱, 명령줄 도구, 스크립트를 만들 수 있다.

 

자바스크립트는 기존에 웹 브라우저에서 클라이언트 측의 동적인 인터페이스를 구현하는 데에만 사용되었으며, 자바스크립트의 비동기 이벤트 기반 모델이 서버 측에서도 유용하게 사용될 수 있을 것이라 판단되어 브라우저 밖에서도 자바스크립트를 실행 가능하도록 Node.js란 런타임이 생겨났다.

 

Node.js 특징

• Google의 V8 자바스크립트 엔진을 사용
• 싱글 스레드 기반
• 논 블로킹 (비동기 I/O)

 

싱글 스레드 기반의 Node.js

싱글 스레드란, 프로세스에서 하나의 스레드가 하나의 요청만을 수행하는 것이다.

 

* 프로세스: 실행 중인 프로그램의 인스턴스 (프로그램이 메모리에 로드되어 CPU에서 실행되는 단위) 다른 프로세스와 독립적이며 프로세스 생성은 많은 자원(메모리, CPU 시간 등)을 소모한다. * 스레드: 프로세스 내에서 실행되는 작업의 가장 작은 단위. 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있다. (멀티 스레딩)

 

Node.js는 싱글 스레드로 작동하여 프로세스 하나에 메인 스레드가 단 하나이다. Node.js는 하나의 작업만을 처리하고 끝날 때까지 기다리는 것이 아닌 비동기 I/O 작업을 통해 수많은 요청을 효율적으로 처리할 수 있도록 설계되었다.

 

이벤트 기반 비동기 I/O

Node.js는 비동기 작업을 처리하기 위해 Libuv 라이브러리를 사용하여 각 요청들을 블로킹하지 않고 실행할 수 있다.

블로킹이란, 특정 작업을 완료할 때까지 다른 작업을 중지하고 기다리는 상태를 말한다. 즉, 하나의 작업이 완료될 때까지 다른 작업이 실행되지 않게 되어 비효율적이다.

 

Node.js는 이벤트 루프와 콜백 메커니즘으로 논블로킹 방식을 가능하게 했다.

➡️ 이벤트 루프: 작업이 비동기로 처리되도록 관리하고, 작업이 완료되면 관련 콜백 함수를 실행

 

논블로킹 방식 동작 예시

1. Node.js가 비동기 작업을 요청
2. 이 요청은 백그라운드(이벤트 루프, 스레드 풀(Libuv), 비동기 작업 처리)에서 처리되고 Node.js는 다음 명령어를 실행
3. 비동기 작업이 완료되면 이벤트 루프가 콜백을 큐에 추가
4. Node.js는 현재 작업이 완료되면 이벤트 루프에 대기 중인 콜백을 실행

 

Node.js 구조

Node.js 내부 구조

 

Libuv내에 Thread Pool과 이벤트 루프를 통해 비동기 작업을 처리한다.

이를 통해 Node.js는 싱글 스레드 구조를 유지하면서도 멀티스레드의 장점을 활용하여 효율적으로 처리할 수 있다.

*바인딩: Node.js는 일부 저수준 작업 (파일 시스템 접근, 네트워크 통신, 암호화 등)을 구현하기 위해 JavaScript로 구현하는 것이 아닌 C/C++로 작성된 네이티브 모듈을 사용해 성능을 최적화 함. 이러한 네이티브 모듈을 JavaScript에서 호출할 수 있도록 연결해 주는 메커니즘

 

Node.js 단점

Node.js는 싱글 스레드 기반의 비동기 논 블로킹 I/O의 특징을 가지고 있어 많은 작업을 동시에 처리할 수 있지만 이에 따른 한계도 존재한다.

• 복잡한 코드 구조: 콜백 지옥과 같은 문제가 발생할 수 있다. Promise와 Async/await 도입으로 콜백 지옥의 문제가 완화되었지만 비동기 흐름을 잘 설계해야 하는 부담
• 상대적으로 낮은 성능: CPU를 많이 사용하는 작업을 처리할 때 다른 멀티스레드 환경에 비해 성능이 떨어질 수 있다.
• 복잡한 에러 처리

그러나 모듈 기반의 구조로 코드 재사용이 용이하고 npm 패키지 생태계로 여러 기능을 가져와 빠르게 구현이 가능하다.