Node환경에서의 이벤트 루프

이벤트 루프, 노드에서는 어떻게 작동할까?

2023-06-30

이벤트 루프

이벤트루프는 프로그래밍 패턴을 지칭하는 용어입니다. 프로그래밍의 메 시지, 이벤트를 처리하는 어떤 구조체 라고 볼 수 있습니다.

이벤트 루프는 메시지와 이벤트를 보내는 시점과 처리하는 시점을 다르 게 하는 것을 목표로 합니다. 일반적으로 이벤트 큐를 통해 들어오는 이벤트를 처리하 고, 해당 이벤트의 콜백을 실행하는 역할을 합니다.

자바스크립트에서 이벤트 루프는 왜 필요할까요 ?

만약 프로그램이 여러 작업을 수행하면서 다른 유저가 발생하는 이벤트에 잘 응답하지 않는다면 유저 입장에서는 프로그램이 잘 동작하지 않고, 매끄럽지 않는다는 느낌을받 을 것 입니다.

한 프로그램에서 여러 작업을 동시에 실행하는 동시성은 프로그램에 중 요한 요소 중 하나입니다.

이러한 동시성을 구현하기 위해 가장 대표적인 전략은 멀티 쓰레딩입니 다.

멀티 쓰레딩은 프로그램이 여러 연산을 쉽게 처리하기 위해 더 많은 쓰레드를 도입하 는 것입니다. 그러나 자바스크립트는 브라우저에서 실행되는 간단한 언어로 처 음 탄생했기에, 어렵고 복잡한 멀티 쓰레딩 대신 싱글 스레드로서 동작하도록 하였습니다.

동시성을 보장하고 , 싱글 스레드의 일관성을 유지하기 위해 비동기 프로그래밍 방식을 자바스크립트는 선택하게 됩니다. 비동기 프로그래밍은 특정 코드의 처 리가 처리가 끝나거나, 처리되는 도중에도 아래로 쭉 내려가며 작업을 하는 것입니다.

그럼 자바스크립트는 어떻게 비동기를 구현하였나요?

자바스크립트의 비동기적인 동작을 관리하기 위해 이벤트루프라는 개념이 사용됩니다. 그럼 Node에서의 이벤트 루프에 대해 알아볼까요??

Node.js의 구조

Node.js의 구조를 뜯어보면 아래와 같은 구조입니다.

• v8엔진
• 내장 라이브러리들
• libuv

라는 크게 3가지의 구조로 나뉘는 것을 볼 수 있는데 Node.js에서 동작하는 이벤트 루 프는 libuv에 구현되어 있습니다.

libuv?

libuv는 C++로 작성된, Node.js가 사용하는 비동기 I/O라이브러리입니다. 파일 시스템이나 네트워크 같은 비동기 작업을 처리하는 역할을 담당하고 V8엔진과 커널 사 이 인터페이스를 제공해줍니다.

V8엔진은 자바스크립트 코드를 읽다가 비동기로 처리해야 할 작업이 있다면 libuv로넘 겨버립니다. 작업을 넘겨받은 libuv는 커널이 넘겨받은 작업을 수행할 수 있는지 판단 합니다.

만약 지원한다면, 앞서 그림처럼 커널에게 비동기적으로 요청 후 응답이 오면 응답을 전달해줍니다. 커널이 작업을 지원하지 않는다면 어떻게 할까요?

이 경우 libuv 안에있는 스레드 풀에 작업을 요청하게 됩니다.

• 비동기로 처리해야 하는 작업은 libuv에 위임합니다.
• libuv가 커널에 받은 작업을 수행할 수 있는지 판단합니다.
• 커널이 해당 작업을 지원한다면 비동기적으로 요청 후 응답을 전달합니다.
• 그렇지 않다면 libuv내부의 스레드 풀을 사용합니다.

Node.js에서의 이벤트 루프

위 그림을 보면 libuv안에 이벤트 루프 + 이벤트 큐 + 스레드 풀이 있는 걸 볼 수 있 습니다. NodeJs에서의 콜백함수들은 libuv내에 위치한 이벤트 루프에서 관리되고 처리 됩니다.

libuv에서 들어온 비동기 요청을 판별하고, 작업이 완료되면 콜백을 각 페이즈나 nextTickQueue 또는 microTaskQueue에 이를 넣어둡니다.

libuv는 라운드 로빈방식으로 각 페이즈를 순회하면서 들어온 콜백이 있 는지 확인합니다. 그리고 각 페이즈들은 선입선출 방식으로 콜백을 처리합니다.

Node js의 이벤트 루프는

• Timer Phase
• Pending Callbacks Phase
• Idle,Prepare Phase
• Poll Phase
• Check Phase
• Close Callbacks Phase

로 구성되어있습니다. 페이즈 전환은 위의 순서처럼

Timer Phase -> Pending Callbacks Phase -> Idle,Prepare Phase -> Poll Phase -> Check Phase -> Close Callbacks Phase -> Timer Phase 순으로 순회합니다.

각 페이즈는 자신의 큐를 하나씩 갖고 있는데, 이 큐에 이벤트 루프가처 리해야 하는 콜백들이 순서대로 담겨있습니다.

Node.js가 페이즈에 진입을 하면 이 큐에서 자바스크립트 코드를 꺼내서 실행합니다. 만약 큐의 작업을 다 실행하면 다음 페이즈로 이동합니다.

그럼 위의 출력 결과는 어떻게 될까요?

1;
2;
3;
4;

순으로 로그가 찍힐 것입니다.

그럼 각각의 페이즈에 대해 더 알아보겠습니다.

Timer Phase

setTimeout(), setInterval()과 같은 타이머 함수에 의해 예약된 콜백이 실행됩니다.

이 과정에서 타이머의 콜백을 직접 큐에 넣지 않고, 콜백을 언제 호출할 지 정보가 담긴 타이머를 최소 힙의 형태로 저장합니다. 그 후 타이머를 실행할 준비가 되면 이벤트 큐로 콜백을 이동시킵니다.

Node.js가 Timer Phase에 진입해야 타이머를 실행할 기회를 얻습니다. 따라서 다른 Phase에서 setTimout(callback,1)을 호출해도, 정확히 1ms뒤에 콜백이 실 행되지 않습니다.

Pending Callbacks Phase

이전 이벤트 루프 반복에서 수행되지 않은 콜백들을 관리합니다.

Idle,Prepare Phase

이벤트 루프가 순회할떄마다 4번쨰 Pool을 위한 준비 작업을 하는 단계입니다. 타이머 가 걸려있는 콜백들을 제외한 대부분이 이 페이즈에서 처리됩니다!

Poll Phase

먼저 I/O와 관련된 콜백을 실행합니다.

이 단계에서 2가지의 기능을 거칩니다.

• I/O를 얼마나 오래 블록하고 있는지 계산합니다.
• poll phase의 큐의 이벤트를 처리합니다.

Check phase

이 페이즈는 setImmediate()의 콜백을 위한 페이즈입니다. setTimeout,setInterval과 는 다르게 check phase에서 관리합니다.

Close phase

close 타입의 이벤트들이 처리되는 페이즈입니다.

MicroTaskQueue와 nextTickQueue

• 먼저 MicroTaskQueue는 프로미스나 async/await 등의 비동기 호출을 넘겨받습니다.
• 그리고 이 우선순위는 일반적은 작업들보다 더 높습니다.

// 1. 실행
console.log('script start');

// 2. task queue로 전달
setTimeout(function () {
  // 8. task 실행
  console.log('setTimeout');
}, 0);

// 3. microtask queue로 전달
Promise.resolve()
  .then(function () {
    // 5. microtask 실행
    console.log('promise1');
    // 6. microtask queue로 전달
  })
  .then(function () {
    // 7. microtask 실행
    console.log('promise2');
  });

// 4. 실행
console.log('script end');

해당 코드를 순서대로 설명하자면,

• console.log('script start')가 콜스택에 쌓이고 실행됩니다.
• setTimeout의 콜백이 테스크 큐에 전달됩니다.
• Promise.resolve의 콜백이 마이크로테스크 큐에 쌓입니다.
• console.log('script end')가 콜스택에 쌀이고 실행됩니다.

script start
script end

// 테스크큐와 마이크로 테스트큐에 콜백이 있는 상태

그 후, 마이크로 테스트 큐의 콜백을 일반적인 테스크 큐보다 우선순위를 높여 처리하 게 되는데, 콜백을 실행하면

promise1;
promise2;

//마이크로테스크 큐의 콜백 실행, 테스크 큐에는 아직 콜백이 있음

가 찍히고 그 후 테스크 큐의 콜백 을 실행해서 결과적으로

script start
script end
promise1
promise2
setTimeout

가 찍히게 됩니다!

nextTickQueue는 대체..뭘까요?

nextTickQueue는 process.nextTick()의 콜백을 관리하는 특수한 큐입니다.

주어진 이벤트 루프 단계에서 어느때든지 process.nextTick()을 호출하면 process.nextTick()에 넘긴 모든 콜백들은 이벤트 루프가 다음 단계로 진행되기 전에 처리됩니다.