왜 Java NIO는 사용하기 힘든가?

결론부터 말하면 NonBlocking의 원리, Network 프로그래밍일 경우 OS에서 동작하는 Socket의 동작 방식을 모르기 때문이다.

Java의 Standard IO의 경우 사실 단순하다.
하나의 Connection에 대해서 하나의 Thread가 1:1로 대응되어,
개발시 하나의 Connection에 대한 처리 로직이 명확하고, 다른 Connection에 대해 독립적이기 때문이다.

쉽게 말해 개발자가 개발하기 쉬운 구조다.

하지만 NIO의 경우 다수의 Client Connection을 극단적인 경우 하나의 Thread 만으로도 처리할 수 있는 구조이다.

NonBlocking에 대한 심도 깊은 이해가 필요하다.
사실 NonBlocking은 의미적으로는 간단하다.
NonBlocking Method를 호출할때 일반 IO와 달리 Blocking 되지 않고 즉시 Return됨을 의미한다.

하지만 Blocking IO만 접해왔던 개발자들에게 즉시 Return이라는 것은 쉽게 이해할 수 없는 부분이다.

왜냐하면 read(buffer) 라는 method를 call해서 int형으로 넘겨받은 값이, 실질적으로 client에 전송된 byte의 수를 의미하는 것인데, 이것은 달리 해석하면, data 전송이후 실질적으로 client가 해당 data를 consume한 것이 확인 되었을때 알 수 있는 값이기 때문이다.

쉽게 말해서 blocking method 호출시 최소한 작업 완료에 대한 응답값이 필요하다.
서버가 특정 data를 전송했을때, client로 부터 data가 consume되었다는 프로토콜 구조적인 확인이 필요하고, 이때 client의 처리가 지연될 경우 method 호출로 인해 blocking 되는 시간은 길어진다고 볼 수 있다.

다시 본론으로 돌아와서,
그렇다면 NIO 의 write(buffer) 를 호출했을때 어떠한 원리로 blocking 없이 즉시 return 값을 받을수 있을까?

이것을 이해하기 위해서는 OS의 Socket에 대한 이해가 필요하다.
더 자세히 말해 Socket Buffer에 대한 이해가 절대적으로 필요하다. 

결론부터 얘기하면,
Kernel Level의 모든 Socket Object는 자체적인 Read/Write Buffer를 가진다.
Socket Buffer로 넘겨진 data는 실질적으로 OS의 Kernel로 그 제어권이 넘어간 것이라 할 수 있다.
Application Level에서 Socket Buffer의 Data가 넘어가는 순간 실질적인 Data 전송의 스케쥴링은 Socket을 컨트롤 하는 OS에 달렸다고 볼수 있다. (물론 Application Level에서 Socket Buffer의 크기를 조절하여, 간접적인 Data 전송 스케쥴도 가능하긴 하다)
NIO의 핵심 메카니즘은 Socket Buffer에 단순히 Data를 Write하고 Read하는 역할 밖에는 하지 않는다.

단순히 메모리상의 특정 영역(Java Memory Area)에서 OS의 영역(Socket Buffer in Kernel)으로 데이터를 Write/Read하는 작업만을 하기때문에, 실질적으로 Blocking이 없다고 볼 수 있다.

예측할 수 없는 Data가 불규칙적으로 오고가는, Socket Buffer의 Data를 효과적으로 감시하기 위해서는, Polling이 아닌 Event기반의 감시자(Monitor Object)가 필요한데, 그 역할을 하는 것이 NIO의 Selector Object이다.

Selector에 대한 자세한 설명은 다음 강좌에 연재하겠다.

어찌되었건, NIO의 핵심은 구현 관점에서 NonBlocking Call과 Event기반의 처리라 볼 수 있다.
특징은 기존 IO에 비해 구현은 훨씬 복잡해지면서 Thread의 수를 최소화 할 수 있어서 대량접속에 대한 처리에 대해 쓰레드의 Context Switching 비용의 부담에서 벗어 날 수 있다.

물론 구현이 복잡해 지는 만큼, Design(설계)시 고려사항이 많아지며, 필수적이고 잘 알려진, Network, Thread,  I/IO 관련 Design Pattern에 대한 이해가 필수적이다.

-글 : 김영곤(gonni21c@gmail.com)

다음편에 계속..