자바스크립트 비동기 컨텍스트: 요청 범위 변수 심층 분석

비동기 프로그래밍은 현대 자바스크립트의 초석이며, 특히 동시 요청 처리가 가장 중요한 Node.js와 같은 환경에서는 더욱 그렇습니다. 하지만 비동기 작업 전반에 걸쳐 상태와 의존성을 관리하는 것은 금방 복잡해질 수 있습니다. 단일 요청의 생명주기 동안 접근 가능한 요청 범위 변수(request-scoped variables)는 강력한 해결책을 제공합니다. 이 글에서는 자바스크립트의 비동기 컨텍스트 개념을 깊이 파고들어, 요청 범위 변수와 이를 효과적으로 관리하는 기법에 초점을 맞춥니다. 네이티브 모듈부터 서드파티 라이브러리까지 다양한 접근법을 탐색하고, 견고하고 유지보수 가능한 애플리케이션을 구축하는 데 도움이 될 실용적인 예제와 통찰력을 제공할 것입니다.

자바스크립트의 비동기 컨텍스트 이해하기

자바스크립트의 단일 스레드 특성은 이벤트 루프와 결합하여 논블로킹(non-blocking) 작업을 가능하게 합니다. 이러한 비동기성은 반응형 애플리케이션을 구축하는 데 필수적입니다. 하지만 이는 컨텍스트 관리의 어려움을 야기하기도 합니다. 동기 환경에서는 변수가 자연스럽게 함수와 블록 내에 범위가 지정됩니다. 반면, 비동기 작업은 여러 함수와 이벤트 루프 반복에 걸쳐 흩어질 수 있어 일관된 실행 컨텍스트를 유지하기 어렵게 만듭니다.

여러 요청을 동시에 처리하는 웹 서버를 생각해보십시오. 각 요청은 사용자 인증 정보, 로깅을 위한 요청 ID, 데이터베이스 연결과 같은 자체 데이터 세트가 필요합니다. 이 데이터를 격리하는 메커니즘이 없다면 데이터 손상과 예기치 않은 동작의 위험이 있습니다. 바로 이 지점에서 요청 범위 변수가 중요한 역할을 합니다.

요청 범위 변수란 무엇인가?

요청 범위 변수는 비동기 시스템 내에서 단일 요청 또는 트랜잭션에 특화된 변수입니다. 이를 통해 현재 요청에만 관련된 데이터를 저장하고 접근할 수 있어 동시 작업 간의 격리를 보장합니다. 이는 각 들어오는 요청에 부착된 전용 저장 공간으로 생각할 수 있으며, 해당 요청을 처리하는 동안 발생하는 비동기 호출 전반에 걸쳐 유지됩니다. 이는 비동기 환경에서 데이터 무결성과 예측 가능성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

주요 사용 사례는 다음과 같습니다.

• 사용자 인증: 인증 후 사용자 정보를 저장하여 요청 생명주기 내의 모든 후속 작업에서 사용할 수 있도록 합니다.
• 로깅 및 트레이싱을 위한 요청 ID: 각 요청에 고유 ID를 할당하고 시스템 전체에 전파하여 로그 메시지를 상호 연관시키고 실행 경로를 추적합니다.
• 데이터베이스 연결: 요청별로 데이터베이스 연결을 관리하여 적절한 격리를 보장하고 연결 누수를 방지합니다.
• 구성 설정: 애플리케이션의 여러 부분에서 접근할 수 있는 요청별 구성 또는 설정을 저장합니다.
• 트랜잭션 관리: 단일 요청 내에서 트랜잭션 상태를 관리합니다.

요청 범위 변수 구현 접근법

자바스크립트에서 요청 범위 변수를 구현하는 데에는 여러 가지 접근법이 사용될 수 있습니다. 각 접근법은 복잡성, 성능, 호환성 측면에서 고유한 장단점을 가집니다. 가장 일반적인 몇 가지 기법을 살펴보겠습니다.

1. 수동 컨텍스트 전파

가장 기본적인 접근법은 각 비동기 함수에 컨텍스트 정보를 인수로 수동으로 전달하는 것입니다. 이해하기는 간단하지만, 이 방법은 특히 깊게 중첩된 비동기 호출에서 금방 번거롭고 오류가 발생하기 쉬워질 수 있습니다.

예제:

function handleRequest(req, res) {
  const userId = authenticateUser(req);
  processData(userId, req, res);
}

function processData(userId, req, res) {
  fetchDataFromDatabase(userId, (err, data) => {
    if (err) {
      return handleError(err, req, res);
    }
    renderResponse(data, userId, req, res);
  });
}

function renderResponse(data, userId, req, res) {
  // userId를 사용하여 응답을 개인화합니다
  res.end(`Hello, user ${userId}! Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

보시다시피, `userId`, `req`, `res`를 각 함수에 수동으로 전달하고 있습니다. 이는 더 복잡한 비동기 흐름에서는 관리하기가 점점 더 어려워집니다.

단점:

• 보일러플레이트 코드: 모든 함수에 컨텍스트를 명시적으로 전달하면 많은 중복 코드가 생성됩니다.
• 오류 발생 가능성: 컨텍스트 전달을 잊기 쉬워 버그로 이어질 수 있습니다.
• 리팩토링의 어려움: 컨텍스트를 변경하려면 모든 함수 시그니처를 수정해야 합니다.
• 강한 결합도: 함수들이 받는 특정 컨텍스트에 강하게 결합됩니다.

2. AsyncLocalStorage (Node.js v14.5.0 이상)

Node.js는 비동기 작업 전반에 걸쳐 컨텍스트를 관리하기 위한 내장 메커니즘으로 `AsyncLocalStorage`를 도입했습니다. 이는 비동기 작업의 생명주기 동안 접근할 수 있는 데이터를 저장하는 방법을 제공합니다. 이것이 일반적으로 최신 Node.js 애플리케이션에 권장되는 접근법입니다. `AsyncLocalStorage`는 `run` 및 `enterWith` 메서드를 통해 작동하여 컨텍스트가 올바르게 전파되도록 보장합니다.

예제:

const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');

const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

function handleRequest(req, res) {
  const requestId = generateRequestId();
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    processData(res);
  });
}

function processData(res) {
  fetchDataFromDatabase((err, data) => {
    if (err) {
      return handleError(err, res);
    }
    renderResponse(data, res);
  });
}

function fetchDataFromDatabase(callback) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  // ... 로깅/트레이싱을 위해 요청 ID를 사용하여 데이터 가져오기
  setTimeout(() => {
    callback(null, { message: 'Data from database' });
  }, 100);
}

function renderResponse(data, res) {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  res.end(`Request ID: ${requestId}, Data: ${JSON.stringify(data)}`);
}

이 예제에서 `asyncLocalStorage.run`은 새로운 컨텍스트(`Map`으로 표현됨)를 생성하고 제공된 콜백을 해당 컨텍스트 내에서 실행합니다. `requestId`는 컨텍스트에 저장되고, `fetchDataFromDatabase`와 `renderResponse`에서 `asyncLocalStorage.getStore().get('requestId')`를 사용하여 접근할 수 있습니다. `req`도 비슷하게 사용할 수 있습니다. 익명 함수는 주요 로직을 감쌉니다. 이 함수 내의 모든 비동기 작업은 자동으로 컨텍스트를 상속받게 됩니다.

장점:

• 내장 기능: 최신 Node.js 버전에서는 외부 의존성이 필요 없습니다.
• 자동 컨텍스트 전파: 비동기 작업 전반에 걸쳐 컨텍스트가 자동으로 전파됩니다.
• 타입 안전성: TypeScript를 사용하면 컨텍스트 변수에 접근할 때 타입 안전성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 명확한 관심사 분리: 함수가 컨텍스트를 명시적으로 인식할 필요가 없습니다.

단점:

• Node.js v14.5.0 이상 필요: 이전 버전의 Node.js는 지원되지 않습니다.
• 약간의 성능 오버헤드: 컨텍스트 스위칭과 관련된 약간의 성능 오버헤드가 있습니다.
• 스토리지의 수동 관리: `run` 메서드는 스토리지 객체를 전달해야 하므로 각 요청에 대해 Map 또는 유사한 객체를 생성해야 합니다.

3. cls-hooked (연속 로컬 스토리지)

`cls-hooked`는 연속 로컬 스토리지(CLS)를 제공하는 라이브러리로, 현재 실행 컨텍스트에 데이터를 연관시킬 수 있습니다. 이는 네이티브 `AsyncLocalStorage`가 나오기 전부터 수년간 Node.js에서 요청 범위 변수를 관리하는 데 널리 사용되어 온 선택지였습니다. 현재는 `AsyncLocalStorage`가 일반적으로 선호되지만, `cls-hooked`는 특히 레거시 코드베이스나 이전 Node.js 버전을 지원해야 할 때 여전히 실행 가능한 옵션입니다. 하지만 성능에 영향을 미칠 수 있다는 점을 명심해야 합니다.

예제:

const cls = require('cls-hooked');
const namespace = cls.createNamespace('my-app');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

cls.getNamespace = () => namespace;

const express = require('express');
const app = express();

app.use((req, res, next) => {
  namespace.run(() => {
    const requestId = uuidv4();
    namespace.set('requestId', requestId);
    namespace.set('request', req);
    next();
  });
});

app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = namespace.get('requestId');
  console.log(`Request ID: ${requestId}`);
  res.send(`Hello, Request ID: ${requestId}`);
});

app.get('/data', (req, res) => {
  const requestId = namespace.get('requestId');

  setTimeout(() => {
    // 비동기 작업 시뮬레이션
    console.log(`Asynchronous operation - Request ID: ${requestId}`);
    res.send(`Data, Request ID: ${requestId}`);
  }, 500);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server is running on port 3000');
});

이 예제에서 `cls.createNamespace`는 요청 범위 데이터를 저장하기 위한 네임스페이스를 생성합니다. 미들웨어는 각 요청을 `namespace.run`으로 감싸고, 이는 요청에 대한 컨텍스트를 설정합니다. `namespace.set`은 컨텍스트에 `requestId`를 저장하고, `namespace.get`은 나중에 요청 핸들러와 시뮬레이션된 비동기 작업 중에 이를 검색합니다. UUID는 고유한 요청 ID를 생성하는 데 사용됩니다.

장점:

• 널리 사용됨: `cls-hooked`는 수년간 인기 있는 선택지였으며 큰 커뮤니티를 가지고 있습니다.
• 간단한 API: API가 비교적 사용하고 이해하기 쉽습니다.
• 이전 Node.js 버전 지원: 이전 버전의 Node.js와 호환됩니다.

단점:

• 성능 오버헤드: `cls-hooked`는 몽키 패칭(monkey-patching)에 의존하므로 성능 오버헤드를 유발할 수 있습니다. 이는 처리량이 많은 애플리케이션에서 상당할 수 있습니다.
• 충돌 가능성: 몽키 패칭은 다른 라이브러리와 충돌할 가능성이 있습니다.
• 유지보수 우려: `AsyncLocalStorage`가 네이티브 솔루션이므로 향후 개발 및 유지보수 노력은 여기에 집중될 가능성이 높습니다.

4. Zone.js

Zone.js는 비동기 작업을 추적하는 데 사용할 수 있는 실행 컨텍스트를 제공하는 라이브러리입니다. 주로 Angular에서 사용되는 것으로 알려져 있지만, Node.js에서도 요청 범위 변수를 관리하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 `AsyncLocalStorage`나 `cls-hooked`에 비해 더 복잡하고 무거운 솔루션이며, 이미 애플리케이션에서 Zone.js를 사용하고 있지 않다면 일반적으로 권장되지 않습니다.

장점:

• 포괄적인 컨텍스트: Zone.js는 매우 포괄적인 실행 컨텍스트를 제공합니다.
• Angular와의 통합: Angular 애플리케이션과 원활하게 통합됩니다.

단점:

• 복잡성: Zone.js는 학습 곡선이 가파른 복잡한 라이브러리입니다.
• 성능 오버헤드: Zone.js는 상당한 성능 오버헤드를 유발할 수 있습니다.
• 간단한 요청 범위 변수에는 과도함: 간단한 요청 범위 변수 관리를 위한 과한 솔루션입니다.

5. 미들웨어 함수

Express.js와 같은 웹 애플리케이션 프레임워크에서 미들웨어 함수는 요청을 가로채고 라우트 핸들러에 도달하기 전에 작업을 수행하는 편리한 방법을 제공합니다. 미들웨어를 사용하여 요청 범위 변수를 설정하고 후속 미들웨어 및 라우트 핸들러에서 사용할 수 있도록 할 수 있습니다. 이는 종종 `AsyncLocalStorage`와 같은 다른 방법 중 하나와 결합됩니다.

예제 (Express 미들웨어와 AsyncLocalStorage 사용):

const express = require('express');
const { AsyncLocalStorage } = require('async_hooks');
const { v4: uuidv4 } = require('uuid');

const app = express();
const asyncLocalStorage = new AsyncLocalStorage();

// 요청 범위 변수를 설정하는 미들웨어
app.use((req, res, next) => {
  asyncLocalStorage.run(new Map(), () => {
    const requestId = uuidv4();
    asyncLocalStorage.getStore().set('requestId', requestId);
    asyncLocalStorage.getStore().set('request', req);
    next();
  });
});

// 라우트 핸들러
app.get('/', (req, res) => {
  const requestId = asyncLocalStorage.getStore().get('requestId');
  res.send(`Hello! Request ID: ${requestId}`);
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

이 예제는 요청이 라우트 핸들러에 도달하기 전에 미들웨어를 사용하여 `AsyncLocalStorage`에 `requestId`를 설정하는 방법을 보여줍니다. 그러면 라우트 핸들러는 `AsyncLocalStorage`에서 `requestId`에 접근할 수 있습니다.

장점:

• 중앙 집중식 컨텍스트 관리: 미들웨어 함수는 요청 범위 변수를 관리할 중앙 집중식 장소를 제공합니다.
• 깔끔한 관심사 분리: 라우트 핸들러가 컨텍스트 설정에 직접 관여할 필요가 없습니다.
• 프레임워크와의 쉬운 통합: 미들웨어 함수는 Express.js와 같은 웹 애플리케이션 프레임워크와 잘 통합됩니다.

단점:

• 프레임워크 필요: 이 접근법은 주로 미들웨어를 지원하는 웹 애플리케이션 프레임워크에 적합합니다.
• 다른 기술에 의존: 미들웨어는 실제로 컨텍스트를 저장하고 전파하기 위해 다른 기술(`AsyncLocalStorage`, `cls-hooked` 등) 중 하나와 결합되어야 합니다.

요청 범위 변수 사용을 위한 모범 사례

요청 범위 변수를 사용할 때 고려해야 할 몇 가지 모범 사례는 다음과 같습니다.

• 올바른 접근법 선택: Node.js 버전, 성능 요구 사항, 복잡성 등의 요소를 고려하여 필요에 가장 적합한 접근법을 선택하십시오. 일반적으로 `AsyncLocalStorage`는 현재 최신 Node.js 애플리케이션에 권장되는 솔루션입니다.
• 일관된 명명 규칙 사용: 코드 가독성과 유지보수성을 향상시키기 위해 요청 범위 변수에 일관된 명명 규칙을 사용하십시오. 예를 들어, 모든 요청 범위 변수 앞에 `req_`를 붙입니다.
• 컨텍스트 문서화: 각 요청 범위 변수의 목적과 애플리케이션 내에서 어떻게 사용되는지 명확하게 문서화하십시오.
• 민감한 데이터를 직접 저장하지 않기: 요청 컨텍스트에 저장하기 전에 민감한 데이터를 암호화하거나 마스킹하는 것을 고려하십시오. 비밀번호와 같은 비밀 정보를 직접 저장하지 마십시오.
• 컨텍스트 정리: 경우에 따라 메모리 누수나 다른 문제를 피하기 위해 요청이 처리된 후 컨텍스트를 정리해야 할 수도 있습니다. `AsyncLocalStorage`를 사용하면 `run` 콜백이 완료될 때 컨텍스트가 자동으로 지워지지만, `cls-hooked`와 같은 다른 접근법에서는 네임스페이스를 명시적으로 지워야 할 수도 있습니다.
• 성능에 유의: 요청 범위 변수 사용의 성능 영향을 인지하십시오. 특히 몽키 패칭에 의존하는 `cls-hooked`와 같은 접근법에서는 더욱 그렇습니다. 애플리케이션을 철저히 테스트하여 성능 병목 현상을 식별하고 해결하십시오.
• 타입 안전성을 위해 TypeScript 사용: TypeScript를 사용하는 경우, 이를 활용하여 요청 컨텍스트의 구조를 정의하고 컨텍스트 변수에 접근할 때 타입 안전성을 보장하십시오. 이는 오류를 줄이고 유지보수성을 향상시킵니다.
• 로깅 라이브러리 사용 고려: 요청 범위 변수를 로깅 라이브러리와 통합하여 로그 메시지에 컨텍스트 정보를 자동으로 포함시키십시오. 이렇게 하면 요청을 추적하고 문제를 디버깅하기가 더 쉬워집니다. Winston이나 Morgan과 같은 인기 있는 로깅 라이브러리는 컨텍스트 전파를 지원합니다.
• 분산 트레이싱을 위한 상관관계 ID 사용: 마이크로서비스나 분산 시스템을 다룰 때, 여러 서비스에 걸쳐 요청을 추적하기 위해 상관관계 ID를 사용하십시오. 상관관계 ID는 요청 컨텍스트에 저장되고 HTTP 헤더나 다른 메커니즘을 통해 다른 서비스로 전파될 수 있습니다.

실제 사용 사례

요청 범위 변수가 다양한 시나리오에서 어떻게 사용될 수 있는지 몇 가지 실제 사례를 살펴보겠습니다.

• 전자상거래 애플리케이션: 전자상거래 애플리케이션에서는 요청 범위 변수를 사용하여 장바구니에 담긴 상품, 배송 주소, 결제 방법 등 사용자의 쇼핑 카트에 대한 정보를 저장할 수 있습니다. 이 정보는 상품 카탈로그, 결제 프로세스, 주문 처리 시스템과 같은 애플리케이션의 여러 부분에서 접근할 수 있습니다.
• 금융 애플리케이션: 금융 애플리케이션에서는 요청 범위 변수를 사용하여 계좌 잔액, 거래 내역, 투자 포트폴리오 등 사용자의 계정에 대한 정보를 저장할 수 있습니다. 이 정보는 계정 관리 시스템, 거래 플랫폼, 보고 시스템과 같은 애플리케이션의 여러 부분에서 접근할 수 있습니다.
• 의료 애플리케이션: 의료 애플리케이션에서는 요청 범위 변수를 사용하여 환자의 의료 기록, 현재 복용 중인 약, 알레르기 등 환자에 대한 정보를 저장할 수 있습니다. 이 정보는 전자 건강 기록(EHR) 시스템, 처방 시스템, 진단 시스템과 같은 애플리케이션의 여러 부분에서 접근할 수 있습니다.
• 글로벌 콘텐츠 관리 시스템(CMS): 여러 언어로 콘텐츠를 처리하는 CMS는 사용자가 선호하는 언어를 요청 범위 변수에 저장할 수 있습니다. 이를 통해 애플리케이션은 사용자의 세션 동안 올바른 언어로 콘텐츠를 자동으로 제공할 수 있습니다. 이는 사용자의 언어 선호도를 존중하는 현지화된 경험을 보장합니다.
• 멀티테넌트 SaaS 애플리케이션: 여러 테넌트에게 서비스를 제공하는 SaaS(Software-as-a-Service) 애플리케이션에서는 테넌트 ID를 요청 범위 변수에 저장할 수 있습니다. 이를 통해 애플리케이션은 각 테넌트의 데이터와 리소스를 격리하여 데이터 프라이버시와 보안을 보장할 수 있습니다. 이는 멀티테넌트 아키텍처의 무결성을 유지하는 데 필수적입니다.

결론

요청 범위 변수는 비동기 자바스크립트 애플리케이션에서 상태와 의존성을 관리하는 데 유용한 도구입니다. 동시 요청 간에 데이터를 격리하는 메커니즘을 제공함으로써 데이터 무결성을 보장하고, 코드 유지보수성을 향상시키며, 디버깅을 단순화하는 데 도움이 됩니다. 수동 컨텍스트 전파도 가능하지만, Node.js의 `AsyncLocalStorage`와 같은 최신 솔루션은 비동기 컨텍스트를 처리하는 더 견고하고 효율적인 방법을 제공합니다. 올바른 접근법을 신중하게 선택하고, 모범 사례를 따르며, 요청 범위 변수를 로깅 및 트레이싱 도구와 통합하면 비동기 자바스크립트 코드의 품질과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 비동기 컨텍스트는 특히 마이크로서비스 아키텍처에서 유용해질 수 있습니다.

자바스크립트 생태계가 계속 발전함에 따라, 확장 가능하고 유지보수 가능하며 견고한 애플리케이션을 구축하기 위해서는 비동기 컨텍스트 관리의 최신 기술을 파악하는 것이 중요합니다. `AsyncLocalStorage`는 요청 범위 변수를 위한 깔끔하고 성능 좋은 솔루션을 제공하며, 새로운 프로젝트에는 이의 채택이 적극 권장됩니다. 그러나 `cls-hooked`와 같은 레거시 솔루션을 포함한 다양한 접근법의 장단점을 이해하는 것은 기존 코드베이스를 유지보수하고 마이그레이션하는 데 중요합니다. 이러한 기술을 활용하여 비동기 프로그래밍의 복잡성을 길들이고, 전 세계 사용자를 위한 더 신뢰성 있고 효율적인 자바스크립트 애플리케이션을 구축하십시오.