NodeJS Event Loop, Timers, and `process.nextTick()`

Reference

본 글은 Node.JS 공식 도큐먼트 글을 번역/요약/정리한 글입니다.

The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()

Event Loop이란 무엇인가?

Event Loop은 Javascript가 싱글 쓰레드로 구성되어있음에도 불구하고 Node.JS가 non-blocking I/O 작업을 할 수 있도록 해준다. 가능할 때 시스템 커널에서 진행중인 작업을 내리는 작업을 수행한다. -> TODO: non-blocking I/O 설명 추가

대부분의 현대 커널들은 멀티 쓰레드를 지원하기 때문에, 다양한 작업들을 백그라운드에서 다룰 수 있다. 그 중 하나가 완료되면, 커널은 Node.js로 알려 poll queue에 적합한 콜백이 올라갈 수 있도록 해준다. (그렇게 되면 추후에 실행된다)

Event Loop 구조

Node.js가 시작할 때, Event loop을 초기화하고, 비동기 API Call, 스캐쥴 타이머, 혹은 process.nextTick()을 호출하는 입력된 스크립트를 생성하고, Event loop 생성을 시작한다.

아래 다이어그램은 Event loop 실행 순서를 보여준다. 이 아래 항목들은 각각 phase timers -> pending callbacks -> idle / prepare -> poll (connections) -> check -> close callbacks (다시 timers로)

각각의 페이즈는 실행될 콜백 목록이 FIFO 큐로 구성되어 있다. 각각의 페이즈는 개별적으로 용도와 목적을 가지고 있지만, 일반적으로 Event Loop이 하나의 페이즈에 진입하면, 해당하는 작업을 진행하고, 페이즈 큐 내에서 작업이 전부 소진되거나 최대 콜백 호출량(maximum number of callbacks)을 부를 때까지 진행된다. 페이즈 종료지점에 도달하면 Event loop은 다음 페이즈로 이동한다.

이 모든 작업들은 더 많은 작업들을 스케쥴링할 수도 있고, poll 페이즈에서 진행되는 새로운 이벤트들은 커널에 의해서 queued되기 때문에 poll 이벤트는 polling event가 진행되는 동안에도 queued 될 수 있다. (* 이 부분 명료화 필요). 결과적으로, 장기간 진행되는 콜백들은 poll 페이즈로 하여금 timer의 임계값을 넘어 진행되도록 할 수 있다.

Phase Overview

• timers: setTimeout() 혹은 setInterval()로 스케쥴링된 콜백들을 실행
• pending callbacks: 루프 다음번 실행에 지연된 I/O 콜백을 실행
• idle, prepare: 내부적으로만 사용됨
• poll: 새로운 I/O 이벤트를 검색, I/O 관련 콜백 (close callbacks, 타이머에 의해 스케쥴된 콜백, setImmediate()을 제외하고) 거의 모든 콜백을 수행. 노드는 적절할 때 작업을 여기서 블록한다.
• check: setImmediate() 콜백이 호출됨
• close callbacks: socket.on('close',...)와 같은 close 콜백

Event loop 실행 간에, Node.js는 기다리고 있는 비동기 I/O나 타이머를 확인하고, 없을 경우 종료한다.

Phases in Detail

timers

타이머는 사용자가 실행되기 원하는 정확한 시간이 아닌, 제공된 콜백이 실행될 수 있는 임계 값을 지정한다. 타이머 콜백은 지정된 시간이 지난 후에 스케쥴링될 수 있는 가장 이른 시간에 실행된다. (운영체제 스케쥴링이나 다른 콜백으로 인해서 지연될 수는 있다)

예를들어 아래 코드를 보자. 100ms 후에 실행되는 타임아웃을 스케쥴링한 뒤에, 스크립트가 비동기로 파일을 읽는데 95ms가 걸린다고 가정하자.

const fs = require('fs');

function someAsyncOperation(callback) {
  // Assume this takes 95ms to complete
  fs.readFile('/path/to/file', callback);
}

const timeoutScheduled = Date.now();

setTimeout(() => {
  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;

  console.log(`${delay}ms have passed since I was scheduled`);
}, 100);

// do someAsyncOperation which takes 95 ms to complete
someAsyncOperation(() => {
  const startCallback = Date.now();

  // do something that will take 10ms...
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    // do nothing
  }
});

Event loop가 poll 페이즈에 진입하면, fs.readFile()이 완료되지 않았기 때문에 빈 큐 상태이고, 타이머의 임계값 중 가장 빨리 도달하는 항목을 기다린다. 95ms 가 지난 후에, fs.readFile()이 파일 읽기를 완료하고, 완료하는데 10ms가 소요되는 콜백이 poll 큐에 추가되고 실행된다. 콜백이 완료되면, 큐에 남아있는 콜백이 더 이상 없기 때문에, Event loop은 임계값에 도달한 타이머가 있음을 확인하고 다시 타이머 페이즈로 돌아가서 콜백을 실행한다. 이 예제에서 타이머가 스케쥴링되고 실행되는 데에는 약 105ms의 딜레이가 존재하였다.

pending callbacks

본 페이즈는 TCP 에러 타입과 같이 시스템 작업 콜백을 실행한다. 예를들어, TCP 소켓이 연결하고자 할 때 ECONNREFUSED를 전달받으면, 몇몇 *nix 시스템들은 이 에러를 보고할 때까지 기달리고자 한다. 해당 작업의 큐는 pending callbacks 페이즈에서 실행된다.

poll

• 폴링(polling): CPU가 일정한 시간 간격을 두고 각 자원들의 상태를 주기적으로 확인하는 방식. poll 페이즈는 두 개의 주요한 역할을 수행한다.

1. I/O 작업을 위해 얼마 동안 블록과 폴링을 해야하는지 계산
2. poll 큐에 있는 이벤트들을 실행

작업하다보니 한글 가이드도 있네… 한글 가이드 볼걸 (나머지는 한글 가이드에서) https://nodejs.org/ko/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/

process.nextTick() 이해하기

process.nextTick()은 Event loop의 일부가 아니다. 대신, process.nextTick()은 이벤트 루프의 현재 단계와 관계없이 현재 작업이 완료된 후에 처리된다.

다이어그램에 표현된 단계 중 한 곳에서 process.nextTick()을 호출하면 process.nextTick()에 전달한 모든 콜백은 언제나 이벤트 루프를 계속 진행하기 전에 처리된다.

let bar;

function someAsyncApiCall(callback) {
  callback();
}

someAsyncApiCall(() => {
  console.log('bar', bar); // undefined
});

bar = 1;

결국 위의 코드는, 마치 비동기처럼 생겼지만, 코드가 실행되었을 때 별도의 비동기 작업이 없기 때문에 사실상 동기 코드로 실행된다. 실행이 되었을 때 결국 someAsyncApiCall()에 할당된 콜백은 같은 Event loop 상에서 실행되게 된다. 결국, bar는 스크립트가 완료되지 않았기 때문에 할당되지 않는다.

콜백 내부에 process.nextTick()을 제공함으로써, 스크립트는 콜백이 실행되기 전에 완료단계까지 실행될 수 있고, 이로써 변수나 함수 할당이 가능하다. 이와 더불어 Event loop이 진행되지 않도록 하는 장점도 갖는다.

아래 코드를 하나 더 보자. 도큐멘테이션에서 권장하는 setImmediate()를 사용하였다.

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  let that = this;
  EventEmitter.call(this);

  emitEvent(this);
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

function emitEvent(self) {
  self.emit('event');
}

애석하게도, 해당 이벤트는 시작되지 않는다. myEmitter.on()에 대한 정의가 생성자의 단계에서는 성립되지 않았기 때문이다. 생성과 동시에 실행시키기 위해서는 생성자에 있는 emitEvent를 다음과 같이 setImmediate() 안에 넣어줘야 한다.

function MyEmitter() {
  let that = this;
  EventEmitter.call(this);

  setImmediate(emitEvent, this);
}

setImmediate는 현재 poll 단계가 완료되면 스크립트가 실행되도록 설계되어있다. 이어진 순회나 Event loop의 ‘tick’에서 실행된다. (process.nextTick()과 이름이 반대라서 좀 헷갈린다)