Java IO 병목 해결하기: 블로킹 IO에서 가상 스레드까지
📋 개요
백엔드 서비스에서 가장 흔하게 마주치는 성능 문제 중 하나가 바로 IO 병목입니다. 최범균 저자의 “주니어 백엔드 개발자가 반드시 알아야 할 실무 지식” 7장을 바탕으로, IO 병목의 원인과 해결 방법에 대해 정리해보겠습니다.
🔍 IO 병목이 발생하는 이유
전통적인 블로킹 IO의 문제점
트래픽이 증가하면서 발생하는 문제들:[6]
- IO 대기: 네트워크 응답을 기다리는 동안 스레드가 블로킹됨
- 컨텍스트 스위칭: 스레드 간 전환으로 인한 CPU 낭비
- 메모리 사용량 증가: 요청마다 스레드를 할당하여 메모리 부족
// 문제가 되는 블로킹 IO 예시 @RestController public class UserController { @GetMapping("/user/{id}") public User getUser(@PathVariable String id) { // DB 조회 - 블로킹 IO User user = userRepository.findById(id); // 외부 API 호출 - 블로킹 IO Profile profile = externalApiClient.getProfile(id); // 총 응답 시간 = DB 조회 시간 + API 호출 시간 return user.withProfile(profile); } }💡 해결 방법 1: 가상 스레드 (Virtual Thread)
가상 스레드란?
Java 21에서 도입된 가상 스레드는 기존 플랫폼 스레드의 한계를 극복하는 혁신적인 해결책입니다.[7] 주요 특징:
- 경량성: 수백만 개를 생성해도 메모리 사용량이 크게 증가하지 않음
- 자동 일시 중단: I/O 작업 시 자바 런타임이 논블로킹 OS 호출을 수행하고 가상 스레드를 자동으로 일시 중단[6]
- 높은 동시성: 컨텍스트 스위칭과 메모리 사용량을 최소화[9]
가상 스레드 사용 예시
// 기존 플랫폼 스레드
public class TraditionalThreadExample {
public void processRequests() {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
executor.submit(() -> {
// IO 작업 시 플랫폼 스레드가 블로킹됨
performNetworkCall();
});
}
}
}
// 가상 스레드 활용
public class VirtualThreadExample {
public void processRequests() {
try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
executor.submit(() -> {
// IO 작업 시 가상 스레드가 자동으로 일시 중단
performNetworkCall();
});
}
}
}
}
Spring Boot에서 가상 스레드 활용
// application.yml
spring:
threads:
virtual:
enabled: true
// 또는 Java 코드로 설정
@Configuration
public class VirtualThreadConfig {
@Bean
public TomcatProtocolHandlerCustomizer<?> protocolHandlerVirtualThreadExecutorCustomizer() {
return protocolHandler -> {
protocolHandler.setExecutor(Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor());
};
}
}
🚀 해결 방법 2: 논블로킹 IO
논블로킹 IO의 핵심 개념
“기다리지 말고, 알림을 받자” 논블로킹 IO는 IO 작업을 기다리지 않고 다른 작업을 계속 처리하는 방식입니다.
// 블로킹 방식
@Service
public class BlockingUserService {
public UserInfo getUserInfo(String userId) {
// 각 호출이 순차적으로 실행됨 (총 3초 소요)
User user = userRepository.findById(userId); // 1초
Profile profile = profileService.getProfile(userId); // 1초
Settings settings = settingsService.getSettings(userId); // 1초
return new UserInfo(user, profile, settings);
}
}
// 논블로킹 방식 (CompletableFuture 활용)
@Service
public class NonBlockingUserService {
public CompletableFuture<UserInfo> getUserInfo(String userId) {
// 모든 호출을 병렬로 실행 (최대 1초 소요)
CompletableFuture<User> userFuture =
CompletableFuture.supplyAsync(() -> userRepository.findById(userId));
CompletableFuture<Profile> profileFuture =
CompletableFuture.supplyAsync(() -> profileService.getProfile(userId));
CompletableFuture<Settings> settingsFuture =
CompletableFuture.supplyAsync(() -> settingsService.getSettings(userId));
return CompletableFuture.allOf(userFuture, profileFuture, settingsFuture)
.thenApply(v -> new UserInfo(
userFuture.join(),
profileFuture.join(),
settingsFuture.join()
));
}
}
WebFlux를 활용한 리액티브 프로그래밍
@RestController
public class ReactiveUserController {
@GetMapping("/user/{id}")
public Mono<UserInfo> getUser(@PathVariable String id) {
return Mono.zip(
userRepository.findById(id),
profileService.getProfile(id),
settingsService.getSettings(id)
).map(tuple -> new UserInfo(
tuple.getT1(), // User
tuple.getT2(), // Profile
tuple.getT3() // Settings
));
}
}
📊 성능 비교
| 방식 | 동시 처리 수 | 메모리 사용량 | 복잡도 | 디버깅 난이도 | | — | — | — | — | — | | 전통적 스레드 | 제한적 | 높음 | 낮음 | 쉬움 | | 가상 스레드 | 매우 높음 | 낮음 | 낮음 | 보통 | | 논블로킹 IO | 높음 | 보통 | 높음 | 어려움 |
🎯 실무 적용 가이드
언제 가상 스레드를 사용할까?
적합한 경우:
- IO 집약적인 작업이 많은 애플리케이션
- 기존 블로킹 코드를 큰 변경 없이 성능 개선하고 싶을 때
- 동시 연결 수가 많은 웹 서비스
// 적용 예시: 배치 처리 @Service public class BatchProcessingService { public void processLargeDataset(List<String> dataIds) { try (ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) { List<CompletableFuture<Void>> futures = dataIds.stream() .map(id -> CompletableFuture.runAsync(() -> { // IO 집약적인 작업 processData(id); }, executor)) .toList(); CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[0])) .join(); } } }언제 논블로킹 IO를 사용할까?
적합한 경우:
- 매우 높은 처리량이 필요한 시스템
- 스트리밍 데이터 처리
- 마이크로서비스 간 비동기 통신
⚠️ 주의사항
가상 스레드 사용 시 주의점
// ❌ 피해야 할 패턴
public void badExample() {
// CPU 집약적 작업에는 적합하지 않음
Thread.ofVirtual().start(() -> {
performCpuIntensiveTask(); // CPU 바운드 작업
});
// synchronized 블록은 가상 스레드를 고정시킬 수 있음
synchronized(this) {
performIOTask();
}
}
// ✅ 권장 패턴
public void goodExample() {
// IO 집약적 작업에 적합
Thread.ofVirtual().start(() -> {
performNetworkCall(); // IO 바운드 작업
});
// ReentrantLock 사용 권장
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
performIOTask();
} finally {
lock.unlock();
}
}
🏁 결론
IO 병목 해결의 핵심은 상황에 맞는 적절한 도구 선택입니다:
- 가상 스레드: 기존 코드 변경을 최소화하면서 성능 개선
- 논블로킹 IO: 최고 성능이 필요하지만 복잡도 증가 감수
- 단계적 적용: IO 집약적인 부분부터 점진적으로 도입
현재 Java 21의 가상 스레드가 가장 실용적인 해결책으로 평가받고 있으며, 복잡한 비동기 프로그래밍 없이도 높은 성능을 달성할 수 있어 많은 개발팀에서 주목받고 있습니다. 참고 자료: