<Spring MVC> 웹 애플리케이션 이해

라모스·2022년 2월 2일
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웹 서버, 웹 애플리케이션 서버

웹 - HTTP 기반

  • 웹은 결국 HTTP 기반으로 통신을 한다.
  • 클라이언트에서 URL을 입력하면 인터넷을 통해 서버에 접속해서 응답받은 HTML을 받아 보여준다.
  • 거의 모든 형태의 데이터를 HTTP를 통해 주고받을 수 있다.
  • 서버간에 데이터를 주고 받을 때도 대부분 HTTP 사용

웹 서버(Web Server)

  • HTTP 기반으로 동작하는 서버로 정적 리소스와 기타 부가기능을 제공한다.
  • 정적 파일: HTML, CSS, JS, 이미지, 영상과 같은 자료
  • Nginx, Apache가 대표적인 웹 서버이다.
  • 웹 서버에 정적 리소스를 두면 이 리소스를 HTTP 프로토콜로 서빙해주는 것이다.

웹 애플리케이션 서버(WAS - Web Application Server)

  • 웹 서버와 동일하게 HTTP 기반으로 동작
  • 웹 서버 기능 포함 + (정적 리소스 제공 가능)
  • 프로그램 코드를 실행해서 애플리케이션 로직 수행
    • 동적 HTML, HTTP API(JSON)
    • 서블릿, JSP, 스프링 MVC
  • ex) 톰캣(Tomcat), Jetty, Undertow

웹 서버와 WAS의 차이점

  • 웹 서버는 정적 리소스(파일), WAS는 애플리케이션 로직
  • 사실 둘의 용어도 경계도 모호하다.
    → 웹 서버도 프로그램을 실행하는 기능을 포함하기도 함
    → 웹 애플리케이션 서버도 웹 서버의 기능을 제공함
  • 자바는 서블릿 컨테이너 기능을 제공하면 WAS
    → 서블릿 없이 자바코드를 실행하는 서버 프레임워크도 있다.
  • WAS는 애플리케이션 코드를 실행하는데 더 특화되었다.

웹 시스템 구성 - WAS, DB

  • WAS, DB 만으로 시스템 구성이 가능하다.
  • WAS는 정적 리소스, 애플리케이션 로직 모두 제공 가능하다.

그러나, WAS가 너무 많은 역할을 담당해서 서버 과부하 우려가 있다.
가장 비싼 애플리케이션 로직이 정적 리소스 때문에 수행이 어려울 수 있다. WAS 장애시 오류 화면도 노출이 불가능해진다.

웹 시스템 구성 - WEB, WAS, DB

  • 정적 리소스는 웹 서버가 처리한다.
  • 웹 서버는 애플리케이션 로직같은 동적인 처리가 필요하면 WAS에 요청을 위임한다.
  • WAS는 중요한 애플리케이션 로직 처리를 전담한다.
  • 이 방식은 효율적인 리소스 관리가 가능해진다.
    • 정적 리소스가 많이 사용되면 Web 서버 증설
    • 애플리케이션 리소스가 많이 사용되면 WAS 증설

  • 정적 리소스만 제공하는 웹 서버는 잘 죽지 않음
  • 애플리케이션 로직이 동작하는 WAS 서버는 잘 죽음
  • WAS, DB 장애시 WEB 서버가 오류 화면 제공 가능

서블릿

서버에서 웹페이지 등을 동적으로 생성하거나 데이터 처리를 수행하기 위해 자바로 작성된 프로그램이다.

HTML Form 데이터 전송

POST 전송 - 저장

회원 이름과 나이를 Form 형태로 POST 전송하는 상황이다. 해당 HTML의 Form 태그를 기반으로 HTTP 메시지를 만들면 Form 형태이기 때문에 Content-Type은 application/x-www-form-urlencoded이고 메시지 바디에 Form의 회원 이름과 나이가 작성되어 전송된다.

서버에서 처리해야 하는 업무

웹 브라우저에서 전송한 HTTP 메시지를 서버에서 받은 다음 처리를 해서 응답까지 해줘야 하는데, 별도의 프레임워크 없이 직접 WAS를 구현한다면 다음과 같은 작업들을 해야 한다.

위 단계가 대략적인 웹 브라우저의 요청에서 응답까지 WAS에서 수행돼야 하는 과정이다. 매번 서버를 구축해줄때 마다 위 과정을 구현하려면 복잡하다.

그래서 서블릿(Servlet)이라는게 나온다.

이 서블릿을 지원하는 WAS에서 위의 여러 번거로운 과정을 모두 자동화해서 제공해준다.

이를 활용하여 우리는 공통적이고 번거로운 여러 작업을 무시하고 의미있는 비즈니스 로직 설계에만 집중할 수 있다.

서블릿

@WebServlet(name = "helloServlet", urlPatterns = "/hello")
public class HelloServlet extends HttpServlet {
    
    @Override
    protected void service(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 애플리케이션 로직
    }
}
  • urlPatterns(/hello)의 URL이 호출되면 서블릿 코드가 실행된다.
  • HTTP 요청 정보를 편리하게 사용할 수 있는 HttpServletRequest
  • HTTP 응답 정보를 편리하게 제공할 수 있는 HttpServletResponse
  • 개발자는 HTTP 스펙을 매우 편리하게 사용할 수 있다.

웹 브라우저와 WAS간의 흐름

서블릿 사용

  1. /hello 라는 경로로 요청(Request)을 한다.
  2. WAS는 Request, Response 객체를 새로 만들어서 서블릿 객체를 호출한다.
  3. 개발자는 Request 객체에서 HTTP 요청 정보를 편리하게 꺼내서 사용한다.
  4. 개발자는 Response 객체에 HTTP 응답 정보를 편리하게 작성한다.
  5. WAS는 Response 객체에 담겨있는 내용으로 HTTP 응답 정보를 생성해서 반환한다.

서블릿 컨테이너

// 서블릿: service() 로직을 수행하는 싱글톤 객체

WAS안에는 서블릿을 관리하는 서블릿 컨테이너가 있는데 해당 컨테이너에서 선언한 서블릿 객체를 자동으로 생성, 초기화, 호출, 종료하는 등 서블릿의 생명주기를 관리한다.

  • 톰캣처럼 서블릿을 지원하는 WAS를 서블릿 컨테이너라 한다.
  • 서블릿 컨테이너는 서블릿 객체를 생성, 초기화, 호출, 종료하는 생명주기 관리
  • 서블릿 객체는 싱글톤으로 관리한다.
    • 고객의 요청이 올 때 마다 계속 객체를 생성하는 것은 비효율적
    • 최초 로딩 시점에 서블릿 객체를 미리 만들어두고 재활용한다.
    • 모든 고객 요청은 동일한 서블릿 객체 인스턴스에 접근한다.
    • 공유 변수 사용 주의
    • 서블릿 컨테이너 종료시 함께 종료
  • JSP도 서블릿으로 변환되어 사용된다.
  • 동시 요청을 위한 멀티 쓰레드 처리가 지원된다.
    → 개발자가 크게 신경쓰지 않아도 WAS가 자동으로 처리함.

동시 요청 - 멀티 쓰레드

웹 브라우저에서 요청을 보내고 WAS에서는 응답을 한다는 것은 위에서 공부를 했으니 알 수 있다. 그런데, WAS에서 TCP/IP 소켓 연결을 한 뒤 서블릿을 호출해서 비즈니스 로직을 수행하는 것은 어디에서 수행하는 것일까? 서블릿 객체를 누가 호출하는 것일까?

바로 쓰레드에서 서블릿 객체를 호출해준다.

쓰레드

  • 애플리케이션 코드를 하나하나 순차적으로 실행하는 것은 쓰레드
  • 자바 메인 메서드를 처음 실행하면 main이라는 이름의 쓰레드가 실행된다.
  • 쓰레드가 없다면 자바 애플리케이션 실행이 불가능하다.
  • 쓰레드는 한 번에 하나의 코드 라인만 수행한다.
  • 동시 처리가 필요하면 쓰레드를 추가로 생성하면 된다.

쓰레드를 하나만 사용할 경우 발생하는 문제

하나의 웹 브라우저에서 요청1을 한 상황에서 쓰레드가 이 요청1에 대한 서블릿을 호출해 처리하는 과정에서 어떠한 이유(DB 접속 타임아웃, DB 처리 지연, 비즈니스 로직의 복잡성 등)로 처리가 지연되는 상황인데, 여기서 다른 웹 브라우저에서 요청2를 한 상황이라면 WAS는 요청2를 처리해줘야 하지만 쓰레드는 요청1을 처리하고 있는 상황이기 때문에 쓰레드를 대기해야 한다.

하지만, 이 처리는 언제까지 지연될지 모르는 상태로 계속 지연되기 때문에 결국 두 요청 다 응답을 받지 못하는 문제가 생긴다.

쓰레드가 하나 뿐이기에 발생하는 문제이니 쓰레드를 요청마다 생성하면 해결이 될까?

쓰레드를 요청마다 생성

요청1의 처리가 지연되고 있지만, 요청2를 했을 때 신규 쓰레드를 생성해서 코드는 수행되기 때문에 요청2는 제대로 응답을 받을 수 있다.

장점

  • 동시 요청을 처리할 수 있다.
  • 리소스(CPU, 메모리)가 허용할 때까지 처리가 가능하다.
  • 하나의 쓰레드가 지연되어도, 나머지 쓰레드는 정상적으로 동작한다.

단점

  • 쓰레드의 생성 비용은 매우 비싸다.
    • 고객의 요청이 올 때마다 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.

이런 단점을 보완하기 위해 나온 것이 쓰레드 풀이다.

문맥 교환(文脈交換, context switch)이란 하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해, 이전의 프로세스의 상태(문맥)를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업을 말한다. 한 프로세스의 문맥은 그 프로세스의 프로세스 제어 블록에 기록되어 있다.

쓰레드 풀

WAS 내부에 쓰레드 풀로 일정 갯수의 쓰레드를 미리 생성해두고, 요청이 올 때마다 해당 쓰레드 풀에서 쓰레드를 꺼내서 사용한다. 그리고 이 쓰레드 사용이 끝나면 없애지 않고 다시 쓰레드 풀에 반납을 한다. 이런 방식으로 쓰레드를 매번 생성/소멸 하는 것이 아니라 미리 생성한 쓰레드를 쓰레드 풀에서 필요할 때마다 꺼내서 쓴다면 생성/소멸 비용을 줄일 수 있고, 매번 요청마다 쓰레드를 생성함으로써 생기는 단점도 해결할 수 있게 된다.

특징

  • 필요한 쓰레드를 쓰레드 풀에 보관하고 관리한다
  • 쓰레드 풀에 생성 가능한 쓰레드의 최대치를 관리한다. 톰캣은 최대 200개가 기본 설정(변경 가능함)

사용

  • 쓰레드가 필요하면, 이미 생성되어 있는 쓰레드를 쓰레드 풀에서 꺼내 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, 응답시간이 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 설정할 경우, 동시 요청이 많으면 서버 리소스는 여유롭지만 클라이언트는 금방 응답이 지연된다.

  • 이 값을 너무 높게 설정할 경우, 동시 요청이 많으면 CPU, 메모리 리소스 임계점 초과로 서버가 다운될 수 있다.
  • 장애가 발생한다면,
    • 클라우드면 일단 서버부터 늘리고 이후에 튜닝
    • 클라우드가 아니면 열심히 튜닝

쓰레드 풀의 적정 숫자?

이는 애플리케이션 로직의 복잡도, CPU, 메모리, I/O 리소스 상황에 따라 모두 다르다. 한번에 최적화된 적정 숫자는 찾기 힘들고 성능 테스트가 필요하다.

최대한 실제 서비스와 유사하게 성능 테스트를 시도하기 위해 아파치 ab, nGrinder, 제이미터 같은 툴을 사용하기도 한다.

정리

  • 멀티 쓰레드에 대한 부분은 WAS가 처리한다.
  • 개발자가 멀티 쓰레드 관련 코드를 신경쓰지 않아도 된다.
  • 개발자는 마치 싱글 쓰레드 프로그래밍을 하듯이 편리하게 소스 코드를 개발하면 된다.
  • 멀티 쓰레드 환경이므로 싱글톤 객체(서블릿, 스프링 빈)는 주의해서 사용해야 한다.

HTML, HTTP API, CSR, SSR

정적 리소스

  • 서버에 있는 고정된 HTML 파일, CSS, JS, 이미지, 영상 등이 정적이고 변화가 없는 정적 리소스이다.
  • 서버에서는 요청에 따라 그냥 해당 리소스들을 응답메시지에 담아 응답하면 된다.
  • 주로 웹 브라우저

HTML

HTML의 경우 필요하다면 동적으로 HTML을 생성해서 반환해줘야 한다. 이 때 사용되는게 템플릿 엔진(JSP, thymeleaf 등)이다. WAS에서 동적으로 HTML을 생성해서 응답하면 웹 브라우저에서는 해당 HTML을 해석해서 렌더링한 뒤 사용자에게 보여준다.
// 로그인한 회원의 권한별로 노출, 은닉되는 게시판이나 항목이 다른 경우

HTTP API

  • HTML이 아니라 데이터를 전달한다.
  • 주로 JSON 형식이 사용된다.
  • 다양한 시스템에서 호출

  • 데이터만 주고 받음. UI 화면이 필요하면, 클라이언트가 별도로 처리한다.
  • 앱, 웹 클라이언트, 서버 to 서버

정리하자면,

  • 주로 JSON 형태로 데이터 통신
  • UI 클라이언트와의 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

SSR - 서버 사이드 렌더링

서버에서 최종 HTML을 생성해서 클라이언트에 전달하면 웹 브라우저에서는 해당 웹 브라우저를 그대로 렌더링해서 사용자에게 보여준다.

  • HTML 최종 결과를 서버에서 만들어서 웹 브라우저에 전달
  • 주로 정적인 화면에 사용
  • 관련 기술: JSP, thymeleaf 등 → 백엔드 개발자

CSR - 클라이언트 사이드 렌더링

  • HTML 결과를 자바스크립트를 사용해 웹 브라우저에서 동적으로 생성해서 적용
  • 주로 동적인 화면에 사용, 웹 환경을 마침 앱 처럼 필요한 부분부분 변경이 가능하다.
  • ex) Google Maps, Gmail 등
  • 관련 기술: React, Vue.js → 웹 프론트엔드 개발자

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(구버전)

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 플럭스(WebFlux)

특징

  • 비동기 논 블로킹 처리
  • 최소 쓰레드로 최대 성능 - 쓰레드 컨텍스트 스위칭 비용 효율화
  • 함수형 스타일로 개발 - 동시처리 코드 효율화
  • 서블릿 기술 사용 x

단점

  • 웹 플럭스는 기술적 난이도가 매우 높다.
  • 아직은 RDB 지원 부족
  • 일반 MVC의 쓰레드 모델도 충분히 빠르다.
  • 실무에서는 아직 많이 사용되지 않음(전체 1% 이하)

자바 뷰 템플릿 역사

HTML을 편리하게 생성하는 뷰 기능

  • JSP
    • 속도 느림, 기능 부족
  • 프리마커(Freemarker), 벨로시티(Velocity)
    • 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

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