프로그램, 프로세스, 스레드 그리고 현대 웹 어플리케이션 서버의 동작 원리

프로그램, 프로세스, 스레드의 기본 개념

 

먼저 프로그램과 프로세스, 그리고 스레드의 차이점을 알아보자.

프로그램은 실행 파일 자체로, 아직 실행되지 않은 정적인 상태를 의미한다. 예를 들어, 컴퓨터에 설치된 .exe 파일이 프로그램에 해당한다. 반면에 프로세스는 실행된 프로그램을 의미하며, CPU에 메모리가 할당된 동적인 상태를 말한다. 프로그램을 더블 클릭해서 실행하면, 그때부터는 프로세스가 된다.

스레드는 프로세스 내에서 작업을 실행하는 단위다. 하나의 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있으며, 이를 통해 다중 작업이 가능해진다. 예를 들어, 리그 오브 레전드(롤) 게임에서 채팅 화면과 게임 화면은 서로 다른 스레드로 처리되며, 이를 통해 게임과 채팅을 동시에 할 수 있다.

 

 

프로그램과 프로세스 예

라면을 만들어 팔기 위한 식당을 예로 들어 설명.

• 프로세스: 라면을 먹기 위해 매번 식당을 열어서 라면을 만들어 먹고, 식당의 문을 닫는 것
  1. 식당의 불을 키고
  2. 가스를 가동시키고
  3. 냉장고를 열어 (정적) 재료를 준비하고 ← 프로그램으로 비유할 수 있음
  4. 도구들을 설거지를 한 뒤
  5. 도마 위에 재료를 썰어서
  6. 조리하는 것

스레드 예

• 스레드: 라면을 먹기 위해 매번 식당은 열린 채 거의 다 준비되어 있고 라면을 만들어 먹고 나오는 것
  1. 도구들을 설거지를 한 뒤
  2. 도마 위에 재료를 썰어서
  3. 조리하는 것

스레드의 장점: 다중 작업

• 1 프로그램 = 1 프로세스로는 하나의 작업만 할 수 있는 한계를 벗어나
  • 1 프로세스 = N 스레드로 다양한 작업과 동시 작업이 가능.
  • 실행 단위가 작아 다중 작업의 부담이 없다.

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Web Server: 초기 웹 서버의 작동 방식

 

웹 서버는 기본적으로 정적 콘텐츠(HTML, 이미지, CSS 등)를 제공하는 역할을 한다. 그러나 웹이 발전하면서 동적인 콘텐츠를 제공할 필요가 생겼고, 이를 위해 초기에는 CGI(Common Gateway Interface)를 사용했다.

• CGI 초기: 1 요청 : 1 비상주 프로세스
  • 각 요청이 들어올 때마다 새로운 프로세스가 생성되어 웹 페이지를 만들어 반환하고, 그 후 프로세스가 종료되는 방식이다.
  • 이 방식은 Stateless 비상태성을 가지고 있다. 매 요청마다 새로운 프로세스가 생성되고, 실행된 후 반환되며, 그 프로세스는 즉시 종료된다. 이는 요청 간 상태 정보를 유지하지 않기 때문에 비효율적일 수 있다.
• FCGI (Fast CGI): 1 요청 : 1 상주 프로세스
  • FCGI는 기존 CGI의 단점을 개선한 방식으로, 요청마다 새로운 프로세스를 생성하는 대신, 이미 열려 있는 상주 프로세스가 요청을 처리하고 반환한다.
  • 이는 Stateful 상태성을 제공하며, 프로세스 간에 상태를 공유할 수 있어 성능이 향상된다. 기존 프로세스가 계속 살아있기 때문에, 요청 간 정보를 유지하며 빠르게 응답할 수 있다.
• PHP의 등장과 변화:
  • 초기 PHP는 CGI를 내장하는 방식으로 동작했다. 하지만 웹 애플리케이션이 점점 더 복잡해지고 대규모화되면서, PHP는 객체지향 언어인 Java의 영향을 받아 발전하게 된다. 특히, PHP 5.4+에서는 웹 서버 내에 어플리케이션을 내장하는 방식으로 동작하게 되며, 이는 WAS로 진화한다.

 

현대 웹 어플리케이션 서버: Tomcat의 예

 

현대 웹 어플리케이션 서버(WAS)는 프로그램, 프로세스, 스레드의 개념을 효율적으로 활용하여 웹 서비스를 제공한다.

과거에는 웹 서버와 CGI를 통해 요청을 처리했지만, 현대에는 WAS가 이 역할을 대신한다. Tomcat과 같은 WAS는 정적 웹 리소스뿐만 아니라 동적 웹 리소스를 처리할 수 있다. 동적 웹 리소스는 사용자의 요청에 따라 실시간으로 생성되는 페이지로, 프로세스와 스레드를 활용해 빠르게 처리된다.

 

 

WAS의 핵심 동작 원리는 다음과 같다:

1. 1 요청 : 1 스레드:
   • 현대의 WAS는 각 요청마다 하나의 스레드를 할당하는 방식을 채택하고 있다. 이는 상주 프로세스의 상태성을 유지하면서도 비상주 방식의 효율성을 얻을 수 있는 구조이다.
   • 매 요청마다 스레드를 새로 생성하는 대신, 스레드 풀(Thread Pool)을 사용해 미리 생성된 스레드를 대기시켜 두고, 요청이 들어오면 이를 할당하여 처리한다. 처리된 스레드는 다시 풀로 반환되어 다음 요청을 대기한다.
2. Servlet과 Servlet Container:
   • Servlet은 자바 기반의 WAS에서 하나의 요청을 처리하는 단위이다. 요청이 들어오면 WAS는 서블릿을 호출해 해당 요청을 처리한다.
   • Servlet Container는 이러한 서블릿들을 관리하고, 요청에 대해 적절한 서블릿을 할당하는 역할을 한다. 컨테이너는 스레드의 생성, 할당, 회수 등 스레드 풀의 관리도 담당한다.

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템플릿 엔진과 MVC 패턴의 이해

 

현대의 웹 애플리케이션 서버에서는 동적 웹 페이지를 생성하기 위해 템플릿 엔진과 MVC 패턴을 사용한다.

MVC 패턴은 Model, View, Controller로 구성된 아키텍처로, 각각의 역할이 명확하게 구분된다.

• Model은 데이터와 관련된 모든 작업을 처리하며, 데이터베이스와의 상호작용을 담당한다.
• View는 사용자에게 데이터를 시각적으로 보여주는 역할을 한다. HTML 페이지나 JSON 응답이 이에 해당한다.
• Controller는 사용자의 요청을 받아, 필요한 데이터를 Model에서 가져오고, 이를 View Template과 결합해 최종 결과를 생성하는 역할을 한다.

템플릿 엔진은 View Template과 Model 데이터를 결합하여 최종적인 웹 페이지를 생성한다. 예를 들어, 사용자가 웹 페이지를 요청하면, Controller는 요청을 받아 데이터베이스에서 필요한 데이터를 가져오고, 템플릿 엔진은 이 데이터를 사용해 사용자에게 보여줄 HTML 페이지를 생성하게 된다.

 

 

MVC Pattern

1. Model (모델):

• 역할: 데이터와 관련된 모든 작업을 처리.
• 예시: 데이터베이스와 상호작용하여 데이터를 저장하거나 조회하는 기능.
• 설명: Model은 애플리케이션의 데이터와 비즈니스 로직을 담당. 예를 들어, 사용자의 정보를 데이터베이스에 저장하거나 가져오는 일을 함.

2. View (뷰):

• 역할: 사용자에게 데이터를 시각적으로 보여주는 역할.
• 예시: HTML 페이지, JSON 응답 등.
• 설명: View는 데이터를 기반으로 사용자 인터페이스를 생성. 사용자가 볼 수 있는 화면이나 데이터를 정의. 예를 들어, 웹 페이지나 앱의 화면.

3. Controller (컨트롤러):

• 역할: 사용자의 요청을 처리하고, 필요한 데이터를 Model에서 가져와서 적절한 View를 선택하는 역할.
• 예시: 특정 URL 요청을 받아서 해당 요청을 처리하는 메서드를 호출.
• 설명: Controller는 사용자의 요청을 받아들이고, 어떤 데이터를 가져올지, 어떤 화면을 보여줄지를 결정. 그러나 실제로 화면을 만드는 최종 작업은 하지 않음 → 최종결과를 반환하진 않는다.

4. Template Engine (템플릿 엔진):

• 역할: View Template과 Model 데이터를 결합하여 최종적인 View를 생성.
• 설명: Template Engine은 Controller가 준비한 View Template과 Model 데이터를 합쳐서 최종적인 HTML 페이지나 JSON 데이터를 만듦. 이렇게 만들어진 최종 결과가 사용자에게 보여짐.

예시를 통해 쉽게 이해하기

1. 사용자가 웹 페이지를 요청:

사용자가 브라우저에서 특정 웹 페이지를 요청합니다. (예: http://example.com/user/123)

2. Controller가 요청을 받음:

Controller는 이 요청을 받아 사용자가 어떤 데이터를 필요로 하는지 결정.

예를 들어, 123이라는 사용자 ID로 데이터베이스에서 사용자 정보를 가져와야 한다고 판단.

3. Model에서 데이터 가져오기:

Controller는 Model을 사용하여 데이터베이스에서 사용자 ID 123에 해당하는 사용자 정보를 가져옴.

4. View Template 선택:

Controller는 사용자가 볼 수 있도록 사용자 정보를 보여줄 HTML 템플릿(View Template)을 선택.

5. Template Engine을 사용해 최종 View 생성:

Template Engine은 선택된 HTML 템플릿과 Model에서 가져온 사용자 정보를 결합하여 최종 HTML 페이지를 생성.

이 최종 HTML 페이지가 사용자에게 반환되어 브라우저에 표시.

 

 

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ℹ️참고

[ASAC 6기 강의자료]