안녕하세요, 장동호입니다!
오늘은 Node.js가 어떻게 싱글 스레드로 동시에 여러 작업을 처리하는지 이야기해 보려고 합니다.
Node.js는 왜 싱글 스레드를 고집할까?
백엔드 개발자의 중요한 임무는 많은 클라이언트의 요청을 빠르고 안정적으로 처리하는 것입니다. 사용자가 많아질수록 서버는 효율적으로 자원을 관리하고, 동시에 많은 요청을 무리 없이 처리할 수 있어야 하죠.
기존의 전통적인 서버, 예를 들면 Java나 .NET 같은 환경에서는 요청이 들어올 때마다 새로운 스레드를 만들어 처리하곤 했습니다. 이 방식은 직관적이고 동시성을 확보하기 쉬운 방법이긴 하지만, 몇 가지 문제점이 따릅니다. 스레드 수가 많아지면 메모리 사용량이 급격히 늘어나고, 스레드 간 전환(Context Switching) 과정에서 CPU 자원이 낭비됩니다. 특히, 요청 처리 중 I/O 작업(예: 파일 읽기, DB 조회)을 기다리는 동안 CPU는 할 일이 없어 놀고 있게 되는데, 이는 시스템 자원을 비효율적으로 사용하는 것입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 Node.js는 다른 길을 선택했습니다. 바로 싱글 스레드 + 비동기 I/O 모델입니다. Node.js는 하나의 스레드로 자바스크립트 코드를 실행하면서, I/O 작업은 논블로킹 비동기 방식으로 처리해 CPU가 쉬지 않고 계속 작업을 수행할 수 있도록 했습니다. 덕분에 적은 자원으로도 많은 요청을 효율적으로 처리할 수 있게 된 것입니다.
JavaScript의 실행 방식 이해하기
Node.js를 이해하려면 먼저 자바스크립트가 어떻게 동작하는지부터 짚고 넘어가야 합니다. 자바스크립트는 브라우저에서도, Node.js 환경에서도 싱글 스레드로 실행됩니다. 이는 작업을 처리하는 콜 스택(Call Stack)이 하나뿐이라는 뜻입니다.
간단한 예시를 살펴볼까요?
function third() {
console.log('third');
}
function second() {
console.log('second');
third();
}
function first() {
console.log('first');
second();
}
first();
TypeScript
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이미지 출처: https://www.jsv9000.app/
위 코드를 실행하면 first → second → third 순서로 함수가 호출되고, 호출된 순서대로 스택 구조에 따라 하나씩 실행됩니다. 함수가 실행되면 콜 스택에 쌓이고, 실행이 끝나면 스택에서 제거됩니다. 이처럼 자바스크립트는 동기적으로 작업을 처리합니다.
하지만 실무에서는 네트워크 요청, 데이터베이스 접근, 파일 읽기처럼 시간이 오래 걸리는 작업들이 많습니다. 이를 동기적으로 처리한다면 하나의 작업이 끝날 때까지 다음 작업은 기다려야 하므로, 처리 속도가 매우 느려지겠죠.
비동기 처리와 이벤트 루프
이미지 출처: https://wikidocs.net/223233
Node.js는 이런 상황을 비동기 이벤트 기반(Event-Driven) 아키텍처로 해결했습니다. 그 핵심에는 이벤트 루프(Event Loop)가 있습니다.
이벤트 루프를 이해하기 위해 커피숍을 예로 들어보겠습니다. 손님이 와서 카운터에서 주문을 하면, 직원은 커피 제조를 다른 바리스타에게 맡기고, 곧바로 다음 손님의 주문을 받습니다. 커피가 다 만들어지면 진동벨이 울리고 손님은 커피를 받아가죠. 이처럼 요청을 받고, 기다리지 않고 다음 일을 처리하며, 완료되면 알림을 받는 구조가 바로 이벤트 루프의 작동 방식입니다.
이 구조에서는 시간이 오래 걸리는 작업을 바로 처리하지 않고 이벤트 루프를 통해 비동기적으로 처리합니다. 작업이 완료되면 해당 작업의 콜백 함수가 태스크 큐(Task Queue)에 등록되고, 이벤트 루프는 콜 스택이 비어 있을 때 이 큐에서 작업을 가져와 실행합니다.
이를 실제 코드로 살펴보겠습니다.
console.log("1");
setTimeout(() => console.log("2"), 1000);
console.log("3");
TypeScript
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이 코드를 실행하면 출력 결과는 다음과 같습니다.
1
3
2
Plain Text
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왜 이런 순서로 출력될까요?
1.
소스 코드의 첫 번째 라인을 읽어서 콜 스택에 console.log(”1”) 함수가 추가됩니다.
2.
콜 스택에 있는 console.log(”1”)이 실행되어서 1이 출력됩니다.
3.
콜 스택에 setTimeout()이 추가됩니다.
4.
setTimeout()은 Node.js API입니다. 주어진 시간 동안 대기합니다.
5.
setTimeout()을 기다리는 동안 console.log(”3”)을 콜 스택에 추가합니다.
6.
console.log(”3”)을 실행해서 3을 출력합니다.
7.
지정된 시간이 지나고 Node.js API에서 setTimeout()을 이벤트 루프의 태스크 큐로 추가합니다.
8.
태스크 큐에 추가된 setTimeout()을 이벤트 루프의 각 단계를 진행하면서 콜 스택에 다시 추가합니다. 이 때, 콜 스택이 비어 있는 경우에만 추가합니다.
9.
콜 스택에 추가한 setTimeout()의 콜백 함수를 실행해 2를 출력합니다.
이처럼 Node.js는 시간이 오래 걸리는 작업을 기다리지 않고 바로 다음 작업으로 넘어갈 수 있게 해줍니다. 싱글 스레드임에도 비동기 처리를 통해 마치 동시에 여러 작업을 처리하는 것처럼 느껴지는 이유가 바로 여기에 있습니다.
Node.js 내부 구조
Node.js는 단순히 자바스크립트만 실행하는 런타임이 아닙니다. 다양한 기능을 가능하게 해주는 내부 구조가 있고, 그 중심에는 두 가지 핵심 요소가 있습니다.
1. V8 엔진 - 자바스크립트를 빠르게 실행
Node.js는 크롬 브라우저에서 사용되는 구글의 V8 엔진을 사용해 자바스크립트 코드를 실행합니다. 우리가 작성한 자바스크립트 코드는 이 엔진에서 해석되고 기계어로 컴파일되어 매우 빠르게 실행됩니다.
하지만 여기서 중요한 사실은 V8은 자바스크립트 문법을 실행할 수 있는 엔진일 뿐, setTimeout(), fs.readFile() 같은 Node.js 전용 API는 이 엔진 혼자서 처리할 수 없습니다.
2. libuv - 비동기 I/O와 이벤트 루프의 핵심
자바스크립트 코드 실행 외의 작업은 대부분 libuv라는 C 기반의 라이브러리가 처리합니다. libuv는 다음과 같은 역할을 합니다.
•
이벤트 루프 구현
•
파일 시스템, 네트워크 요청 등 비동기 I/O 처리
•
스레드 풀 관리
예를 들어, 파일을 읽는 코드가 있다고 해봅시다.
const fs = require('fs');
fs.readFile('example.txt', 'utf-8', (err, data) => {
console.log(data);
});
TypeScript
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이 코드에서 fs.readFile()은 V8이 직접 처리할 수 없습니다. V8은 운영체제에 직접 접근할 수 있는 권한이 없기 때문이죠. 그래서 Node.js는 이 작업을 libuv에게 위임합니다. libuv는 백그라운드 스레드 풀 중 하나를 활용해 파일을 읽고, 작업이 끝나면 콜백을 태스크 큐에 등록합니다. 이후 이벤트 루프가 콜 스택이 비는 시점을 기다렸다가 이 콜백을 실행합니다.
이 과정을 정리하면 다음과 같습니다.
1.
자바스크립트 코드 실행 → V8이 처리
2.
비동기 I/O 요청 발생 → libuv가 스레드 풀에서 처리
3.
완료 시 콜백 → 이벤트 루프가 큐에서 가져와 실행
libuv 스레드 풀
Node.js는 싱글 스레드라고 하지만, 자바스크립트를 실행하는 메인 스레드만 싱글일 뿐입니다. 내부적으로는 libuv가 스레드 풀(기본 4개)을 가지고 있어 블로킹이 발생할 수 있는 작업들을 병렬로 처리할 수 있습니다.
예를 들어, 아래 코드처럼 CPU를 많이 사용하는 연산과 동시에 파일을 읽는 작업이 있을 수 있죠.
fs.readFile('bigfile.txt', () => {
console.log('파일 읽기 완료');
});
for (let i = 0; i < 1e9; i++) {} // CPU 바쁜 작업
console.log('연산 완료');
TypeScript
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이 경우 파일 읽기 작업은 스레드 풀에서 비동기적으로 처리되므로, CPU 연산과 동시에 진행됩니다.
Node.js의 싱글 스레드 구조만 보고 모든 작업이 순차적으로 처리된다고 오해하면 안 되는 이유입니다.
정리
1.
Node.js는 싱글 스레드로 동작하지만, libuv와 이벤트 루프 덕분에 I/O 작업은 비동기적으로 병렬 처리됩니다.
2.
이 덕분에 자바스크립트의 단일 스레드 철학을 유지하면서도 높은 처리량과 확장성을 확보할 수 있습니다.
3.
결과적으로, 적은 자원으로도 효율적인 서버 운영이 가능해 API 서버에 특히 적합합니다.
