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Node.js 이벤트 루프 내부: 심층 분석

Patricia Arquette원래의: 2025-01-11 20:29:43962검색

Inside the Node.js Event Loop: A Deep Dive

Node.js 단일 스레드 모델 탐색

Node.js는 이벤트 중심의 비동기 I/O 접근 방식을 채택하여 단일 스레드의 동시성 JavaScript 런타임 환경을 구현합니다. 단일 스레드는 한 번에 한 가지 작업만 수행할 수 있다는 것을 의미하는데, Node.js는 단 하나의 스레드로 어떻게 높은 동시성 및 비동기 I/O를 달성합니까? 이 기사에서는 이 질문과 관련하여 Node.js의 단일 스레드 모델을 살펴보겠습니다.

높은 동시성 전략

일반적으로 높은 동시성을 위한 솔루션은 멀티스레드 모델을 제공하는 것입니다. 서버는 각 클라이언트 요청에 하나의 스레드를 할당하고 동기 I/O를 사용합니다. 시스템은 스레드 전환을 통해 동기 I/O 호출에 소요되는 시간 비용을 보상합니다. 예를 들어 Apache는 이 전략을 사용합니다. I/O 작업은 일반적으로 시간이 많이 걸리므로 이 접근 방식으로는 고성능을 달성하기가 어렵습니다. 하지만 매우 간단하고 복잡한 상호작용 로직을 구현할 수 있습니다.

사실 대부분의 웹 서버 측은 많은 계산을 수행하지 않습니다. 요청을 받은 후 요청을 다른 서비스(예: 데이터베이스 읽기)에 전달한 다음 결과가 돌아올 때까지 기다린 다음 마지막으로 결과를 클라이언트에 보냅니다. 따라서 Node.js는 단일 스레드 모델을 사용하여 이러한 상황을 처리합니다. 들어오는 각 요청에 스레드를 할당하는 대신 기본 스레드를 사용하여 모든 요청을 처리한 다음 I/O 작업을 비동기식으로 처리하여 스레드 생성, 삭제 및 스레드 간 전환에 따른 오버헤드와 복잡성을 방지합니다.

이벤트 루프

Node.js는 메인 스레드에서 이벤트 큐를 유지 관리합니다. 요청이 수신되면 이 대기열에 이벤트로 추가된 다음 계속해서 다른 요청을 수신합니다. 기본 스레드가 유휴 상태(수신 요청이 없음)이면 이벤트 큐를 통해 루프를 시작하여 처리할 이벤트가 있는지 확인합니다. 두 가지 경우가 있습니다. I/O가 아닌 작업의 경우 메인 스레드가 해당 작업을 직접 처리하고 콜백 함수를 통해 상위 계층으로 돌아갑니다. I/O 작업의 경우 스레드 풀에서 스레드를 가져와 이벤트를 처리하고 콜백 함수를 지정한 다음 대기열의 다른 이벤트를 계속해서 반복합니다.

스레드의 I/O 작업이 완료되면 지정된 콜백 함수가 실행되고, 완료된 이벤트는 이벤트 큐의 끝에 배치되어 이벤트 루프를 기다립니다. 메인 스레드가 이 이벤트를 다시 반복하면 이를 직접 처리하여 상위 계층으로 반환합니다. 이 프로세스를 이벤트 루프라고 하며 작동 원리는 아래 그림에 나와 있습니다.

Inside the Node.js Event Loop: A Deep Dive

이 그림은 Node.js의 전반적인 작동 원리를 보여줍니다. Node.js는 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 애플리케이션 계층, V8 엔진 계층, Node API 계층, LIBUV 계층의 4개 계층으로 나뉩니다.

애플리케이션 레이어: JavaScript 상호 작용 레이어입니다. 일반적인 예로는 http 및 fs와 같은 Node.js 모듈이 있습니다.
V8 엔진 레이어: V8 엔진을 사용하여 JavaScript 구문을 구문 분석한 다음 하위 레이어 API와 상호작용합니다.
노드 API 계층: 일반적으로 C로 구현되는 상위 계층 모듈에 대한 시스템 호출을 제공하고 운영 체제와 상호 작용합니다.
LIBUV 레이어: 이벤트 루프, 파일 작업 등을 구현하는 크로스 플랫폼 기반 캡슐화이며 비동기성을 구현하는 Node.js의 핵심입니다.

Linux 플랫폼이든 Windows 플랫폼이든 Node.js는 내부적으로 스레드 풀을 사용하여 비동기 I/O 작업을 완료하고 LIBUV는 다양한 플랫폼 차이에 대한 호출을 통합합니다. 따라서 Node.js의 단일 스레드는 JavaScript가 단일 스레드에서 실행된다는 의미일 뿐 Node.js 전체가 단일 스레드라는 의미는 아닙니다.

작동 원리

비동시성을 구현하는 Node.js의 핵심은 이벤트에 있습니다. 즉, 모든 작업을 이벤트로 처리한 다음 이벤트 루프를 통해 비동기 효과를 시뮬레이션합니다. 이 사실을 보다 구체적이고 명확하게 이해하고 수용하기 위해 아래에서는 의사 코드를 사용하여 작동 원리를 설명합니다.

1. 이벤트 큐 정의

큐이기 때문에 FIFO(선입선출) 데이터 구조입니다. JS 배열을 사용하여 다음과 같이 설명합니다.

/**
 * Define the event queue
 * Enqueue: push()
 * Dequeue: shift()
 * Empty queue: length === 0
 */
let globalEventQueue = [];

대기열 구조를 시뮬레이션하기 위해 배열을 사용합니다. 배열의 첫 번째 요소는 대기열의 헤드이고 마지막 요소는 꼬리입니다. push()는 큐의 끝에 요소를 삽입하고, Shift()는 큐의 헤드에서 요소를 제거합니다. 이로써 간단한 이벤트 큐가 구현되었습니다.

2. 요청 수신 입구 정의

모든 요청은 아래와 같이 가로채어 처리 기능으로 들어갑니다.

/**
 * Receive user requests
 * Every request will enter this function
 * Pass parameters request and response
 */
function processHttpRequest(request, response) {
    // Define an event object
    let event = createEvent({
        params: request.params, // Pass request parameters
        result: null, // Store request results
        callback: function() {} // Specify a callback function
    });

    // Add the event to the end of the queue
    globalEventQueue.push(event);
}

이 기능은 단순히 사용자의 요청을 이벤트로 패키징하여 대기열에 넣은 다음 계속해서 다른 요청을 수신합니다.

3. 이벤트 루프 정의

메인 스레드가 유휴 상태이면 이벤트 큐를 통해 루프를 시작합니다. 따라서 이벤트 큐를 반복하는 함수를 정의해야 합니다.

/**
 * The main body of the event loop, executed by the main thread when appropriate
 * Loop through the event queue
 * Handle non-IO tasks
 * Handle IO tasks
 * Execute callbacks and return to the upper layer
 */
function eventLoop() {
    // If the queue is not empty, continue to loop
    while (this.globalEventQueue.length > 0) {
        // Take an event from the head of the queue
        let event = this.globalEventQueue.shift();

        // If it's a time-consuming task
        if (isIOTask(event)) {
            // Take a thread from the thread pool
            let thread = getThreadFromThreadPool();
            // Hand it over to the thread to handle
            thread.handleIOTask(event);
        } else {
            // After handling non-time-consuming tasks, directly return the result
            let result = handleEvent(event);
            // Finally, return to V8 through the callback function, and then V8 returns to the application
            event.callback.call(null, result);
        }
    }
}

메인 스레드는 이벤트 큐를 지속적으로 모니터링합니다. I/O 작업의 경우 스레드 풀에 넘겨 처리하고, I/O가 아닌 작업의 경우 자체적으로 처리하고 반환합니다.

4. I/O 작업 처리

스레드 풀은 작업을 받은 후 데이터베이스 읽기와 같은 I/O 작업을 직접 처리합니다.

/**
 * Define the event queue
 * Enqueue: push()
 * Dequeue: shift()
 * Empty queue: length === 0
 */
let globalEventQueue = [];

I/O 작업이 완료되면 콜백이 실행되고 요청 결과가 이벤트에 저장되며 이벤트는 다시 대기열에 들어가 루프를 기다립니다. 마지막으로 현재 스레드가 해제됩니다. 메인 스레드가 이 이벤트를 다시 반복하면 이를 직접 처리합니다.

위 프로세스를 요약하면 Node.js는 요청을 수신하기 위해 하나의 메인 스레드만 사용한다는 것을 알 수 있습니다. 요청을 받은 후에는 직접 처리하지 않고 이벤트 큐에 넣은 다음 계속해서 다른 요청을 받습니다. 유휴 상태에서는 이벤트 루프를 통해 이러한 이벤트를 처리하여 비동기 효과를 얻습니다. 물론 I/O 작업의 경우 여전히 시스템 수준의 스레드 풀에 의존하여 처리해야 합니다.

그러므로 Node.js 자체는 멀티스레드 플랫폼이지만 JavaScript 수준의 작업을 단일 스레드에서 처리한다고 간단히 이해할 수 있습니다.

CPU 집약적인 작업의 단점

이제 우리는 Node.js의 단일 스레드 모델을 간단하고 명확하게 이해해야 합니다. 이벤트 중심 모델을 통해 높은 동시성 및 비동기 I/O를 달성합니다. 하지만 Node.js가 잘 못하는 것도 있습니다.

위에서 언급한 것처럼 I/O 작업의 경우 Node.js는 효율적이고 간단한 비동기 처리를 위해 이를 스레드 풀에 넘겨줍니다. 따라서 Node.js는 I/O 집약적인 작업을 처리하는 데 적합합니다. 그러나 모든 작업이 I/O 집약적인 것은 아닙니다. CPU 집약적인 작업, 즉 데이터 암호화 및 암호 해독(node.bcrypt.js), 데이터 압축 및 압축 해제(node-tar)와 같이 CPU 계산에만 의존하는 작업이 발생하면 Node.js는 이를 하나씩 처리합니다. 하나. 이전 작업이 완료되지 않으면 후속 작업은 대기만 할 수 있습니다. 아래 그림과 같습니다.

Inside the Node.js Event Loop: A Deep Dive

이벤트 큐에서는 이전 CPU 계산 작업이 완료되지 않으면 후속 작업이 차단되어 응답이 느려집니다. 운영 체제가 단일 코어라면 허용될 수 있습니다. 하지만 이제 대부분의 서버는 다중 CPU 또는 다중 코어이며 Node.js에는 EventLoop이 하나만 있습니다. 즉, CPU 코어 하나만 점유합니다. Node.js가 CPU 집약적인 작업으로 점유되어 다른 작업이 차단되면 여전히 CPU 코어가 유휴 상태로 남아 있어 리소스가 낭비됩니다.

그래서 Node.js는 CPU 집약적인 작업에는 적합하지 않습니다.