스프링 MVC 1편 - Ch. 01 웹 애플리케이션 이해

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1. 포스팅 개요
2. 본론
     2-1. 웹 서버, 웹 애플리케이션 서버
     2-2. 서블릿
     2-3. 동시 요청 - 멀티 쓰레드
     2-4. HTML, HTTP API, CSR, SSR
     2-5. 자바 백엔드 웹 기술 역사
3. 요약

1. 포스팅 개요

인프런에서 영한님의 스프링 MVC 1편 Section 01 웹 애플리케이션 이해를 학습하며 정리한 포스팅이다.

2. 본론

2-1. 웹 서버, 웹 애플리케이션 서버

• 지금은 HTTP 시대라고 말할 정도로 서버간에 데이터를 주고 받을 때 대부분 HTTP 프로토콜 기반으로 동작한다.

웹 서버(Web Server)

• HTTP 기반으로 동작한다.
• 정적 리소스를 제공한다.
  • HTML, CSS, JS, 이미지, 영상 등
• NGINX 혹은 APACHE가 대표적이다.

웹 애플리케이션 서버(WAS - Web Application Server)

• HTTP 기반으로 동작
• 웹 서버 기능을 포함하면서 정적 리소스 제공 가능
• 프로그램 코드를 실행해서 애플리케이션 로직 수행한다.
  • 동적 HTML, HTTP API(JSON)
  • 서블릿, JSP, 스프링 MVC
• 톰캣(Tomcat) Jetty, Undertow 등이 대표적이다.

웹 서버, 웹 애플리케이션 서버(WAS)의 차이

• 웹 서버는 정적 리소스(파일), WAS는 애플리케이션 로직
• 사실은 둘의 용어도 경계도 모호함
  • 웹 서버도 프로그램을 실행하는 기능을 포함하기도 함.
  • 웹 애플리케이션 서버도 웹 서버의 기능을 제공함.
• 자바는 서블릿 컨테이너 기능을 제공하면 WAS
  • 서블릿 없이 자바 코드를 실행하는 서버 프레임워크도 있음
• WAS는 애플리케이션 코드를 실행하는데 더 특화

2-2. 서블릿

만약 HTML Form으로 데이터를 전송할 때,
POST 방식으로 전송하고, 저장할 때, 서버에서 처리할 때 만약 웹 애플리케이션 서버를 직접 구현한다면, 해야할 일들은 다음과 같을 것이다.

• 서버 TCP/IP 연결 대기, 소켓 연결
• HTTP 요청 메시지를 파싱해서 읽기
• POST 방식, /save URL 인지
• Content-Type 확인
• HTTP 메시지 바디 내용 피싱
  • username, age 데이터를 사용할 수 있게 파싱
• 저장 프로세스 실행
• 비즈니스 로직 실행
  • 데이터베이스에 저장 요청
• HTTP 응답 메시지 생성 시작
  • HTTP 시작 라인 생성
  • Header 생성
  • 메시지 바디에 HTML 생성에서 입력
• TCP/IP에 응답 전달, 소켓 종료

이런 내용들이 있을 것이다.
그런데 비즈니스 로직 실행의 전 후 처리를 서블릿이 해준다.

따라서 개발자는 애플리케이션 로직만 작성하면 된다.

HttpServletRequest

• HTTP 요청 정보를 편리하게 사용한다.

HttpServletResponse

• HTTP 응답 정보를 편리하게 제공한다.

개발자는 HTTP 스펙을 매우 편리하게 사용할 수 있다.

서블릿의 HTTP 요청, 응답 흐름

• HTTP 요청시
  • WAS는 Request, Response 객체를 새로 만들어서 서블릿 객체 호출
  • 개발자는 Request 객체에서 HTTP 요청 정보를 편리하게 꺼내서 사용
  • 개발자는 Response 객체에 HTTP 응답 정보를 편리하게 입력
  • WAS는 Response 객체에 담겨있는 내용으로 HTTP 응답 정보를 생성

서블릿 컨테이너

• 톰캣처럼 서블릿을 지원하는 WAS를 서블릿 컨테이너라고 함
• 서블릿 컨테이너는 서블릿 객체를 생성, 초기화, 호출, 종료하는 생명주기 관리
• 서블릿 객체는 싱글톤으로 관리
  • 고객의 요청이 올 때 마다 계속 객체를 생성하는 것은 비효율
  • 최초 로딩 시점에 서블릿 객체를 미리 만들어두고 재활용
  • 모든 고객 요청은 동일한 서블릿 객체 인스턴스에 접근
  • 공유 변수 사용 주의
  • 서블릿 컨테이너 종료시 함께 종료
• JSP도 서블릿으로 변환 되어서 사용
• 동시 요청을 위한 멀티 쓰레드 처리 지원

2-3. 동시 요청 - 멀티 쓰레드

클라이언트가 서버에 요청을 하면 서블릿을 호출하는데,
과연 누가 서블릿을 호출하는가?

바로 쓰레드가 한다.

쓰레드

• 애플리케이션 코드를 하나하나 순차적으로 실행하는 것은 쓰레드
• 자바 메인 메서드를 처음 실행하면 main이라는 이름의 쓰레드가 실행
• 쓰레드가 없다면 자바 애플리케이션 실행이 불가능
• 쓰레드는 한번에 하나의 코드 라인만 수행
• 동시 처리가 필요하면 쓰레드를 추가로 생성

만약 요청시 쓰레드를 하나 사용한다면?

• 단일 요청은 원활히 이뤄진다.
• 그러나 다중 요청시 하나의 요청 처리가 늦어지면, 다음 요청의 수행이 이뤄지지 않아 모든 요청에 타임 아웃과 같은 오류가 발생할 것이다.
  • 이를 해결하려면, 요청마다 쓰레드를 생성하면 된다. 그러나 요청마다 쓰레드 생성시 문제가 있다.

요청마다 쓰레드 생성시 장단점

• 장점
  • 동시 요청을 처리할 수 있다.
  • 리소스(CPU, 메모리)가 허용할 때 까지 처리가능
  • 하나의 쓰레드가 지연 되어도, 나머지 쓰레드는 정상 동작한다.
• 단점
  • 쓰레드는 생성 비용은 매우 비싸다.
    • 고객의 요청이 올 때 마다 쓰레드를 생성하면, 응답 속도가 늦어진다.
  • 쓰레드는 컨텍스트 스위칭 비용이 발생한다.
  • 쓰레드 생성에 제한이 없다.
    • 고객 요청이 너무 많이 오면, CPU, 메모리 임계점을 넘어서 서버가 죽을 수 있다.

그래서 이를 보완해서 나온 것이 쓰레드 풀이다.

쓰레드 풀

쓰레드 풀은 요청마다 쓰레드 생성할 때의 단점을 보완한다.

• 특징
  • 필요한 쓰레드를 쓰레드 풀에 보관하고 관리한다.
  • 쓰레드 풀에 생성 가능한 쓰레드의 최대치를 관리한다. 톰캣은 최대 200개 기본 설정 (변경 가능)
• 사용
  • 쓰레드가 필요하면, 이미 생성되어 있는 쓰레드를 쓰레드 풀에서 꺼내서 사용한다.
  • 사용을 종료하면 쓰레드 풀에 해당 쓰레드를 반납한다.
  • 최대 쓰레드가 모두 사용중이어서 쓰레드 풀에 쓰레드가 없으면?
    • 기다리는 요청은 거절하거나 특정 숫자만큼만 대기하도록 설정할 수 있다.
• 장점
  • 쓰레드가 미리 생성되어 있으므로, 쓰레드를 생성하고 종료하는 비용(CPU)이 절약되고, 응답 시간이 빠르다.
  • 생성 가능한 쓰레드의 최대치가 있으므로 너무 많은 요청이 들어와도 기존 요청은 안전하게 처리할 수 있다.

쓰레드 풀 실무 팁

• WAS의 주요 튜닝 포인트는 최대 쓰레드(max thread) 수이다.
• 이 값을 너무 낮게 설정하면?
  • 동시 요청이 많으면, 서버 리소스는 여유롭지만, 클라이언트는 금방 응답을 지연한다.
  • 예) 요청이 100개가 오는데, 최대 쓰레드는 10개이고, 동시에 10개의 요청만 처리하는데, CPU는 5%만 사용할 때, 이를 몰라서 AWS에서 서버를 늘리는 경우가 있다고 한다....;;;
• 이 값을 너무 높게 설정하면?
  • 동시 요청이 많으면, CPU, 메모리 리소스 임계점 초과로 서버 다운
• 장애 발생시?
  • 클라우드면 일단 서버부터 늘리고, 이후에 튜닝한다.
  • 클라우드가 아니면 열심히 튜닝한다.

쓰레드 풀의 적정 숫자

• 적정 숫자는 어떻게 찾을까..?
• 애플리케이션 로직의 복잡도, CPU, 메모리, IO 리소스 상황에 따라 모두 다름
• 성능 테스트
  • 최대한 실제 서비스와 유사하게 성능 테스트 시도
  • Tool: 아파치 ab, JMeter, nGrinder

WAS의 멀티 쓰레드 지원의 핵심

• 멀티 쓰레드에 대한 부분은 WAS가 처리
• 개발자가 멀티 쓰레드 관련 코드를 신경쓰지 않아도 됨
• 개발자는 마치 싱글 쓰레드 프로그래밍을 하듯이 편리하게 소스 코드를 개발
• 멀티 쓰레드 환경이므로 싱글톤 객체(서블릿, 스프링 빈)는 주의해서 사용

2-4. HTML, HTTP API, CSR, SSR

정적 리소스

• 고정된 HTML 파일, CSS, JS, 이미지, 영상 등을 제공
• 주로 웹 브라우저

HTML 페이지

• 동적으로 필요한 HTML 파일을 생성해서 전달
• 그러면 웹 브라우저가 HTML을 해석해준다.

HTTP API

• HTML이 아니라 데이터를 전달
• 주로 JSON 형식을 사용
• 다양한 시스템에서 호출
• 데이터만 주고 받음, UI 화면이 필요하면, 클라이언트가 별도 처리
• 앱, 웹 클라이언트, 서버 to 서버

백엔드 개발자는

1. 정적 리소스 어떻게 제공할 것인가,
2. 동적으로 제공되는 HTML 페이지 어떻게 제공할 것인가,
3. HTTP API 어떻게 제공할 것인지

이 세가지 포인트를 고민해야 한다.

HTTP API의 다양한 시스템 연동

• 주로 JSON 형태로 데이터 통신
• UI 클라이언트 접점
  • 앱 클라이언트(아이폰, 안드로이드, PC 앱)
  • 웹 브라우저에서 자바스크립트를 통한 HTTP API 호출
  • React, Vue.js 같은 웹 클라이언트
• 서버 to 서버
  • 주문 서버 -> 결제 서버
  • 기업간 데이터 통신

서버사이드 렌더링, 클라이언트 사이드 렌더링

SSR - 서버 사이드 렌더링

서버에서 최종 HTML을 생성해서 클라이언트에 전달한다.

• HTML 최종 결과를 서버에서 만들어서 웹 브라우저에 전달
• 주로 정적인 화면에 사용
• 관련기술: JSP, 타임리프 -> 백엔드 개발자

CSR - 클라이언트 사이드 렌더링

• HTML 결과를 자바스크립트를 사용해 웹 브라우저에서 동적으로 생성해서 적용
• 주로 동적인 화면에 사용, 웹 환경을 마치 앱 처럼 필요한 부분부분 변경할 수 있음
• 예) 구글 지도, Gmail, 구글 캘린더
• 관련기술: React, Vue.js -> 웹 프론트엔드 개발자

참고

• React, Vue.js를 CSR + SSR 동시에 지원하는 웹 프레임워크도 있음
• SSR을 사용하더라도, 자바스크립트를 사용해서 화면 일부를 동적으로 변경 가능

2-5. 자바 백엔드 웹 기술 역사

과거 기술

• 서블릿 - 1997
  • HTML 생성이 어려움
• JSP - 1999
  • HTML 생성은 편리하지만, 비즈니스 로직까지 너무 많은 역할 담당
• 서블릿, JSP 조합 MVC 패턴 사용
  • 모델, 뷰 컨트롤러로 역할을 나누어 개발
• MVC 프레임워크 춘추 전국 시대 - 2000년 초 ~ 2010년 초
  • MVC 패턴 자동화, 복잡한 웹 기술을 편리하게 사용할 수 있는 다양한 기능 지원
  • 스트럿츠, 웹워크, 스프링 MVC(과거 버전)

현재 사용 기술

• 애노테이션 기반의 스프링 MVC 등장
  • @Controller
  • MVC 프레임워크의 춘추 전국 시대 마무리
• 스프링 부트의 등장
  • 스프링 부트는 서버를 내장
  • 과거에는 서버에 WAS를 직접 설치하고, 소스는 War 파일을 만들어서 설치한 WAS에 배포
  • 스프링 부트는 빌드 결과(Jar)에 WAS 서버 포함 -> 빌드 배포 단순화

최신 기술 - 스프링 웹 기술의 분화

• Web Servlet - Spring MVC
• Web Reactive - Spring WebFlux

최신 기술 - 스프링 웹 플럭스(WebFlux)

• 특징
  • 비동기 넌 블러킹 처리
  • 최소 쓰레드로 최대 성능 - 쓰레드 컨텍스트 스위칭 비용 효율화
  • 함수형 스타일로 개발 - 동시처리 코드 효율화
  • 서블릿 기술 사용X
• 그런데 ( 강의 촬영 기준 현재(2024년 1월)와 다를 수도 있음.)
  • 웹 플럭스는 기술적 난이도 매우 높음
  • 아직은 RDB 지원 부족
  • 일반 MVC의 쓰레드 모델도 충분히 빠르다.
  • 실무에서 아직 많이 사용하지는 않음 (전체 1% 이하)

자바 뷰 템플릿 역사

뷰 템플릿은 HTML을 편리하게 생성하는 뷰 기능이다.

• JSP
  • 속도 느림, 기능 부족
• 프리마커(Freemarker), Velocity(벨로시티)
  • 속도 문제 해결, 다양한 기능
• 타임리프(Thymeleaf)
  • 내추럴 템플릿: HTML의 모양을 유지하면서 뷰 템플릿 적용 가능
  • 스프링 MVC와 강력한 기능 통합
  • 최선의 선택, 단 성능은 프리마커, 벨로시티가 더 빠름

3. 요약

웹 서버와 WAS,
서블릿에 대한 개요,
웹 애플리케이션의 동시 요청시 서블릿을 통해서 멀티 쓰레드를 지원한다는 것,
그리고 자바 웹 백엔드 기술 역사
등등을 개괄적으로 살펴보았다.