NodeJS의 마스터-워커 패턴: 알아야 할 모든 것

NodeJS는 개발자가 JavaScript를 사용하여 서버 측 애플리케이션을 작성할 수 있도록 하는 JavaScript 기반 개발 플랫폼입니다. NodeJS의 주요 기능 중 하나는 단일 스레드, 이벤트 기반 모델로, 여러 스레드나 프로세스 없이도 수많은 동시 요청을 효율적으로 처리할 수 있습니다.

마스터-워커 패턴을 사용하는 이유

그러나 NodeJS의 단일 스레드 특성에는 다음과 같은 제한 사항이 있습니다.

CPU 집약적 작업: 이미지 처리 또는 암호화/복호화와 같은 작업의 경우 단일 스레드가 다른 요청을 차단하여 성능 저하를 초래할 수 있습니다.
오류 처리: 오류나 예외가 발생하면 단일 스레드가 충돌하여 전체 애플리케이션이 실행을 멈출 수 있습니다.
멀티 코어 활용: 단일 스레드 모델은 멀티 코어 CPU를 완전히 활용할 수 없습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 NodeJS는 클러스터 모드라고도 하는 마스터-워커 패턴을 제공합니다. 이 분산 시스템 설계 패턴은 마스터 프로세스와 여러 워커 프로세스로 구성됩니다. 마스터 프로세스는 워커를 관리하고 모니터링하는 반면, 워커는 특정 비즈니스 로직을 처리합니다.

마스터-워커 패턴을 구현하는 방법

NodeJS에서 마스터-워커 패턴은 cluster 모듈을 사용하여 구현할 수 있습니다. 이 모듈을 통해 개발자는 여러 자식 프로세스를 쉽게 만들 수 있으며 제어 및 통신을 위한 메서드와 이벤트를 제공합니다. cluster 모듈을 사용하는 기본 단계는 다음과 같습니다.

cluster 모듈을 가져오고 현재 프로세스가 마스터인지 워커인지 확인합니다.
마스터인 경우 cluster.fork() 메서드를 사용하여 여러 워커 프로세스를 만들고 이벤트를 바인딩하여 상태와 메시지를 모니터링합니다.
워커인 경우 특정 비즈니스 로직을 실행하고 process.send()를 사용하여 마스터 프로세스에 메시지를 보냅니다.

기본 사용법

다음은 cluster 모듈을 사용하는 기본 예제입니다.

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
  console.log(`Master ${process.pid} is running`);

  // Fork workers.
  for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
    cluster.fork();
  }

  cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
    console.log(`Worker ${worker.process.pid} died`);
  });
} else {
  // Workers can share any TCP connection.
  // In this case, it is an HTTP server.
  http
    .createServer((req, res) => {
      res.writeHead(200);
      res.end('Hello from Worker!');
    })
    .listen(8000);

  console.log(`Worker ${process.pid} started`);
}

이 코드에서 마스터 프로세스는 먼저 자신이 마스터인지 확인합니다(cluster.isMaster). true인 경우 시스템의 CPU 코어 수만큼 워커를 생성합니다. 각 워커는 자체 메모리 및 V8 인스턴스를 가진 마스터 프로세스의 독립적인 인스턴스입니다. 워커는 http.createServer를 사용하여 HTTP 서버를 만들고 요청을 수신하기 시작합니다.

워커가 충돌하거나 종료되면 exit 이벤트가 발생하여 마스터가 워커를 다시 시작할 수 있습니다.

고급 사용법: Nginx 로드 밸런싱과 통합

Nginx를 역방향 프록시 및 로드 밸런서로 사용합니다. Nginx는 들어오는 요청을 여러 Node.js 프로세스에 분산할 수 있습니다.

Nginx 구성 예시:

http {
    upstream node_cluster {
        server 127.0.0.1:8000;
        server 127.0.0.1:8001;
        server 127.0.0.1:8002;
        # ... other Node.js processes
    }

    server {
        listen 80;

        location / {
            proxy_pass http://node_cluster;
            proxy_http_version 1.1;
            proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
            proxy_set_header Connection 'upgrade';
            proxy_set_header Host $host;
            proxy_cache_bypass $http_upgrade;
        }
    }
}

이 구성에서 Nginx는 들어오는 요청을 node_cluster에 정의된 Node.js 프로세스 간에 균등하게 분산합니다.

마스터-워커 패턴 사용의 이점

로드 밸런싱: 단일 서버에서 여러 Node.js 프로세스를 실행하면 들어오는 요청이 균등하게 분산되어 처리량이 증가합니다.
결함 허용 및 고 가용성: 워커가 충돌하더라도 마스터는 다른 워커에 영향을 주지 않고 다시 시작할 수 있습니다.
CPU 집약적 작업: 여러 워커가 CPU 집약적 작업을 처리하여 기본 스레드가 차단되는 것을 방지할 수 있습니다.

고려 사항

상태 공유: 각 워커 프로세스는 독립적이며 메모리를 공유하지 않습니다. 애플리케이션에 상태 공유(예: 세션 상태)가 필요한 경우 외부 서비스 또는 데이터베이스를 사용해야 합니다.

결론적으로 cluster 모듈을 통해 구현된 Node.js의 마스터-워커 패턴은 다중 프로세스 애플리케이션을 생성하여 성능과 안정성을 향상시키는 간단하면서도 강력한 방법을 제공합니다.

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