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JavaScript & TypeScript

NodeJS 와 PostgreSQL Connection Pool

by 향로 (기억보단 기록을) 2022. 1. 21.
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Database에 관해 기본적인 id/pw 외에 해야할 설정들이 여러개 있는데요.
그 중 실제 서비스 운영에 가장 중요한 설정 중 하나가 이전 글인 쿼리 타임아웃 과 함께 커넥션 풀 (Connection Pool) 설정입니다.

이 커넥션풀 설정이 왜 필요한지, 어떻게 해야할지 등등을 알아보겠습니다.

1. 실험 환경

실험의 경우 아래 환경에서 진행합니다.

  • Node 16
  • PostgreSQL 14 (by Docker)

간단하게 아래와 같이 Node와 PG를 사용한 코드를 하나 만들어둡니다.

실험을 위해 lint 등을 빼고 빠르게 구성했습니다.

app.js

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

const app = express()
const port = 3000

const client = new pg.Pool({
  host: 'localhost',
  user: 'test',
  password: 'test',
  database: 'test',
  port: 5432,
  max: 5,
})

client.connect(err => {
  if (err) {
    console.log('Failed to connect db ' + err)
  } else {
    console.log('Connect to db done!')
  }
})

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Hello World!')
});

app.get('/test-timeout', async (req, res) => {
  const start = new Date();
  try {
    await client.query('SELECT pg_sleep(3);');
    const lag = new Date() - start;
    console.log(`Lag: \t${lag} ms`);
  } catch (e) {
    const lag = new Date() - start;
    console.log(`Lag: \t${lag} ms`);
    console.error('pg error', e);
  }

  res.send('test-timeout!');
});

app.listen(port, () => {
  console.log(`Example app listening at http://localhost:${port}`)
});

모든 코드는 Github에 있습니다.

아주 간단한 코드입니다.

  • API 호출시 강제로 3초의 쿼리를 발생시키고 (await client.query('SELECT pg_sleep(3);');)
  • 실제로 3초의 시간만 수행 되었는지 로그로 출력 (const lag = new Date() - start;)

여기서 핵심은 바로 아래와 같이 pool 의 max: 5 설정입니다.

const client = new pg.Pool({
  host: 'localhost',
  user: 'test',
  password: 'test',
  database: 'test',
  port: 5432,
  max: 5,
})

이렇게 하면 최대 커넥션 생성 개수가 5로 설정됩니다.

max 의 기본값은 10입니다.

max (maxConnection: 최대 커넥션수)를 5로 하게 되면 어떻게 될까요?

2. 테스트

일정 트래픽을 몰아주기 위해서 테스트는 Apache Bench 를 통해 진행합니다.

Mac을 사용하는 경우엔 ApacheBench 가 기본적으로 설치되어있습니다.
설치여부를 확인하기 위해서 ab -V 로 확인해보면 됩니다.

Node와 PostgreSQL (Docker)를 실행한 뒤, 아래명령어를 터미널에 입력합니다.

ab -n 100 -c 20 http://localhost:3000/test-timeout/
  • -n 100
    • 총 요청 횟수입니다.
    • 요청 사용자들이 다합쳐서 보낼 회수입니다.
  • -c 20
    • 총 요청자들의 수 입니다.
    • 20명의 동시 사용자가 요청합니다.

이렇게 요청하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

result2
  • 이 테스트는 20명의 동시 사용자로 총 100번을 호출
  • 요청당 평균 시간
    • Time per request 의 첫번째 값
    • 이 요청은 60344 ms, 즉 평균 60초가 요청
  • 예상되는 평균 응답시간
    • Percentage of the requests served... 항목
    • 60307ms ~ 60435ms 로 응답한다
  • 초당 요청
    • Request per second 항목
    • 1초에 최대 요청양을 이야기한다.
    • 현재 0.33 인데, 이는 1초에 1건도 처리 못한다는 것을 의미

이 테스트를 보면 평균 60초의 응답시간을 주었다는 것을 알 수 있는데요.
3초 쿼리를 20명이 호출하는데, 왜 60초가 평균 응답시간이 되었을까요?

커넥션 풀이란?

커넥션 풀 (Connection Pool) 이란 간단하게 얘기하면 클라이언트 요청이 오면 connection을 주고, 처리가 끝나면 다시 connection을 반납받아 pool에 저장하는 방식을 말합니다.

데이터베이스 연결 및 데이터베이스 읽기/쓰기 작업과 관련된 오버헤드를 줄이는 것이 주 목적인 잘 알려진 데이터베이스와 관련된 일종의 패턴입니다.

일반적인 데이터베이스를 연결해서 사용하는 것을 본다면 다음과 같습니다.

  • 데이터베이스 드라이버를 사용하여 데이터베이스 커넥션 Open
  • 데이터 읽기/쓰기를 위한 TCP 소켓 Open
  • 소켓을 통한 데이터 읽기/쓰기
  • 커넥션 Close
  • 소켓 Close

데이터베이스 연결 작업은 상당히 많은 비용이 드는 일입니다.
그래서 가능한 최소한으로 줄여야 합니다.
이때 커넥션 풀링이 필요합니다.

기존 커넥션을 재사용할 수 있도록 구성만 한다면 막대한 비용이 드는 데이터베이스 수행 비용을 효과적으로 절감할 수 있으므로 데이터베이스 기반 애플리케이션의 전체 성능이 크게 향상됩니다.
그래서 모든 데이터베이스 기반의 애플리케이션에서는 필수로 적용된다고 보시면 됩니다.

커넥션풀에 대한 자세한 설명은 Java 기반이긴 하지만, 네이버 D2 글 을 참고하면 좋습니다.
Node로 된 글 중에서 이정도로 자세하게 커넥션 풀에 대해 설명한 글이 없어서 부득이하게 자바로 된 글을 첨부합니다.

사용 방법은 간단합니다.
이 예제의 코드와 같이 pg.Pool 로 데이터베이스 커넥션 작업을 진행하시면 됩니다.

const client = new pg.Pool({
  host: 'localhost',
  user: 'test',
  ....
  max: 2,
})

테스트에서의 커넥션풀

이를테면 max:4 로 둔다면 실제 내부적으로는 다음과 같이 작동하게 됩니다.

flow
  • DB 쿼리가 필요한 요청이 동시에 7개가 온다면
  • 최대 커넥션수 (4개)가 3초간 처리 중이 되고,
  • 나머지 3개는 모두 대기 상태에 빠지게 됩니다.

그래서 실제로 위 테스트의 Node 로그를 보면 3초씩 지연이 누적되는 것을 볼 수 있습니다.
(즉, 앞의 요청을 처리하는동안 나머지 요청들은 대기시간이 누적 된 것입니다.)

result1

최대 대기 시간

위 실험을 보고 나면 한가지 우려가 들 수 있습니다.
동시에 요청이 1000, 2000개씩 오게 되서 다음과 같은 고민을 할 수 있습니다.

  • "커넥션을 맺기 위한 대기시간이 수십분이 걸리면 어떡하지?"
    • 처리하지 못하고 대기하고 있는 수많은 요청들로 인해서 서버 부하와 함께 장애가 발생하는 것은 걱정이다.
  • 그럴바에는 "차라리 일정시간이상 대기하는 것들은 모두 다 취소" 시키고, 서버의 부하를 낮추는 방향을 선택하는게 낫겠다.

와 같은 고민들이죠.

그럴때는 connectionTimeoutMillis 설정을 사용하시면 됩니다.

const client = new pg.Pool({
  ...
  connectionTimeoutMillis: 30000,
  max: 2,
})

이렇게 설정하면 최대 커넥션 대기 시간은 30초로 설정됩니다.

  • connectionTimeoutMillis 의 기본값은 무제한입니다.
  • connectionTimeoutMillis 의 기본 단위는 ms 입니다.

최대 커넥션 대기 시간을 30초로 설정하고, 똑같이 부하 테스트를 실행해봅니다.
그럼 아래와 같이 30초이상 대기가 되면 바로 취소 됩니다.

result3

전체 평균 응답 시간이 60초에서 30초로 단축 되는 효과도 있습니다.
(물론 요청들의 취소건도 같이 늘었겠죠?)

result4

3. 주의사항

이 실험 결과를 보고 무조건적으로 커넥션수를 높이면 되겠다고 생각하실 수도 있는데요.
그렇지는 않습니다.
이는 애플리케이션의 문제라기 보다는 그 만큼의 커넥션을 DB가 받아줘야만하기 때문입니다.

일반적으로 많은 커넥션수를 유지하려면 그만큼 DB의 메모리가 따라줘야하는데요.
그래서 AWS와 같은 클라우드에서 지원하는 매니지드 데이터베이스에서는 기본 설정으로 사양에 맞는 커넥션 설정이 되도록 합니다.

예를 들어 AWS RDS MySQL의 MaxConnection 계산식은 {DBInstanceClassMemory/12582880} 입니다.
그럼,

  • t2.micro RDS를 사용한다면
    • t2.micro 의 메모리는 512MB이니,
    • max_connections 은 (512*1024*1024)/12582880 가 되어 40개의 MaxConnection RDS에서 설정됩니다.

즉, t2.micro 는 Node Application & 개별 DB Gui 도구까지 합쳐서 40개의 커넥션 이상은 동시에 연결될 수 없습니다.
그래서 이에 맞게 Node에서 Connection Option에서 적절한 수치의 connectionLimit 을 설정해야만 합니다.

  • 우리팀에 몇대의 서버에서 Node 애플리케이션을 실행하는지
  • 서버 1대당 PM2 혹은 클러스터링으로 여러 Node를 같이 실행하는지
  • 갑자기 트래픽이 몰려와 서버를 늘린다면 최대 몇대까지 늘리는지
  • 각자 개발 PC에서 접근하는 사람은 몇명인지

등등을 정리해서 적절한 수치의 max 값을 설정하시는 것을 추천드립니다.

자세한 RDS의 MaxConnection 계산식은 공식문서 를 참고하면 좋습니다.

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