[JavaScript] 비동기 프로그래밍

비동기 프로그래밍에 대해 알아보자

 

 

[ 동기 처리와 비동기 처리 ]

 

실행 콘텍스트에 따르면 함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 콘텍스트가 생성된다. 이때 생성된 함수 실행 콘텍스트는 실행 콘텍스트 스택(콜 스택)에 푸시되고 함수 코드가 실행된다. 

 

함수 코드의 실행이 종료되면 함수 실행 콘텍스트는 실행 콘텍스트 스택에서 팝 되어 제거된다. 

 

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함수 호출 -> 함수 코드 평가 -> 함수 실행 콘텍스트 생성 -> 실행 콘텍스트 스택(콜 스택)에 푸시 -> 함수 코드 실행

 

-> 함수 코드 실행 종료 -> 함수 실행 컨텍스트를 실행 콘텍스트 스택에서 팝 되어 제거

 

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함수가 실행되려면 "함수 코드 평가 과정"에서 생성된 함수 실행 콘텍스트가 실행 콘텍스트 스택에 푸시되어야 한다. 

다시 말해, 실행 컨텍스트 스택에 함수 실행 콘텍스트가 푸시되는 것은 함수 실행의 시작을 의미한다.

 

함수가 호출된 순서대로 순차적으로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 함수 실행 콘텍스트가 실행 콘텍스트 스택에 푸시되기 때문이다. 이처럼 함수의 실행 순서는 실행 콘텍스트 스택으로 관리한다.

 

자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 콘텍스트 스택을 갖는다.

 

이는 함수를 실행할 수 있는 창구가 단 하나이며, 동시에 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없다는 것을 의미한다.  실행 콘텍스트 스택의 최상위 요소인 "실행 중인 실행 콘텍스트"를 제외한 모든 실행 콘텍스트는 모두 실행 대기 중인 태스크(task)들이다.

 

대기 중인 태스크들은 현재 실행 중인 실행 콘텍스트가 팝 되어 실행 콘텍스트 스택에서 제거되면, 다시 말해 현재 실행 중인 함수가 종료하면 비로소 실행되기 시작한다.

 

이처럼 자바스크립트 엔진은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드(single thread) 방식으로 동작한다.

 

싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있기 때문에 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹(blocking ※ 작업 중단)이 발생한다. 

 

[ 동기 처리 ]

 

예를 들어 setTimeout 함수와 유사하게 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수를 호출하는 timer 함수를 구현해 보자 

 

 

// timer 함수는 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출한다.
function timer(func, delay) {
 
  const delayUntil = Date.now() + delay;
 
  // 현재 시간(Date.now())에 delay를 더한 delayUntil이 현재 시간보다 작으면 계속 반복한다.
  while (Date.now() < delayUntil);
  // 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출한다.
  func();
}
 
function foo() {
  console.log('foo');
}
 
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
// timer 함수는 3초 이상 실행된다..
timer(foo, 3 * 1000);
// bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 블로킹된다.
bar();
// (3초 경과 후) foo 호출 -> bar 호출

 

위 예제의 timer 함수는 3초 후에 foo 함수를 호출한다. 이때 bar 함수는 timer 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 (foo 함수의 실행 시간 +3초) 호출되지 못하고 블로킹(작업 중단)된다. 

 

이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기(synchronous) 처리라고 한다. 동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있다. 

 

 

위 예제를 타이머 함수인 setTimeout을 사용하여 비동기 처리로 수정해 보자

 

 

[ 비동기 처리 ]

 

function foo() {
  console.log('foo');
}
 
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
// 타이머 함수 setTimeout은 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수 foo를 호출한다.
// 타이머 함수 setTimeout은 bar 함수를 블로킹하지 않는다.
setTimeout(foo, 3 * 1000);
bar();
// bar 호출 -> (3초 경과 후) foo 호출

 

 

setTimeout 함수는 앞서 살펴본 sleep 함수와 유사하게 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수를 호출하지만 setTimeout 함수 이후의 태스크를 블로킹하지 않고 곧바로 실행한다. 이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기(asynchronous) 처리라고 한다. 

 

동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있었다. 비동기 처리 방식은 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하므로 블로킹이 발생하지 않는다는 장점이 있지만,  태스크의 실행 순서가 보장되지 않는 단점이 있다.

 

비동기 처리를 수행하는 비동기 함수는 전통적으로 콜백 패턴을 사용한다. 비동기 처리를 위한 콜백 패턴을 콜백 헬(callback hell)을 발생시켜 가독성을 나쁘게 하고, 비동기 처리 중 발생한 에러의 예외 처리가 곤란하며, 여러 개의 비동기 처리를 한 번에 처리하는 데도 한계가 있다. 

 

타이머 함수인 setTimeout과 setInterval, HTTP 요청, 이벤트 핸들러는 비동기 처리 방식으로 동작한다. 

비동기 처리는 이벤트 루프와 태스크 큐와 깊은 관계가 있다.

 

 

[ 이벤트 루프와 태스크 큐 ]

자바스크립트의 특징 중 하나는 싱글 스레드로 동작한다는 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이 싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 처리할 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 브라우저가 동작하는 것을 살펴보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다.

 

예를 들어, HTML 요소가 애니메이션 효과를 통해 움직이면서 이벤트를 처리하기도 하고, HTTP 요청을 통해 서버로부터 데이터를 가지고 오면서 렌더링 하기도 한다. 이처럼 자바스크립트의 동시성(concurrency)을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프(event loop)다. 

 

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기중 중 하나로, 브라우저 환경을 그림으로 표현해 보자.

 

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※ 콜 스택 (call stack)

 

소스코드(전역 코드나 함수 코드 등) 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 콘텍스트 스택이 바로 콜 스택이다.

 

함수를 호출하면 함수 실행 컨텍스트가 순차적으로 콜 스택에 푸시되어 순차적으로 실행된다. 자바스크립트 엔진은 단 하나의 콜 스택을 사용하기 때문에 최상위 실행 콘텍스트(실행 중인 실행 콘텍스트)가 종료되어 콜 스택에서 제거되기 전까지는 다른 어떤 태스크도 실행되지 않는다.

 

 

※ 힙 (heap)

 

힙은 객체가 저장되는 메모리 공간이다. 콜 스택의 요소인 실행 콘텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.

 

메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리 공간의 크기를 결정해야 한다. 객체는 원시 값과는 달리 크기가 정해져 있지 않으므로 할당해야 할 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정(동적 할당) 해야 한다. 따라서 객체가 저장되는 메모리 공간인 힙은 구조화되어 있지 않다는 특징이 있다.

 

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이처럼 콜 스택과 힙으로 구성되어 있는 자바스크립트 엔진은 단순히 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행할 뿐이다. 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당한다. 

 

예를 들어, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout의 콜백 함수의 평가와 실행은 자바스크립트 엔진이 담당하지만 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정과 콜백 함수의 등록은 브라우저 또는 Node.js가 담당한다. 이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공한다. 

 

 

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※ 태스크 큐 (task queue / event queue / callback queue )

 

setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다.

 

※ 이벤트 루프 (event loop)

 

이벤트 루프는 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수(콜백 함수, 이벤트 핸들러 등)가 있는지 반복해서 확인한다. 만약 콜 스택이 비어있고 태스크 큐에 대기중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적(FIFO)으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. 이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다. 

즉, 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다. 

 

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다음 예시를 살펴보자

 

function foo() {
  console.log('foo');
}
 
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
setTimeout(foo, 0); // 0초(실제는 4ms) 후에 foo 함수가 호출된다.
bar();

 

과정

 

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시된다.

 

2. 전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출된다. 이때 setTimeout 함수의 함수 실행 콘텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 콘텍스트가 된다. 브라우저의 Web API(호스트 객체)인 타이머 함수도 함수이므로 함수 실행 콘텍스트를 생성한다.

 

3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 팝 된다. 이때 호출 스케줄링, 즉 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 푸시하는 것은 브라우저의 역할이다. 

 

4. 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다.

 

4-1. 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 위 예제의 경우 지연 시간(delay)이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 저장된다. 따라서 4ms 후에 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 된다. 이 처리 또한 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 수행한다. 

 

4-2. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 콘텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 콘텍스트가 된다. 이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝 된다. 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과했다면 foo 함수는 아직 태스크 큐에서 대기 중이다.

 

5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝 된다. 이로서 콜 스택에는 아무런 실행 콘텍스트도 존재하지 않게 된다.

 

6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어 있음이 감지되고 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 푸시된다. 다시 말해, 콜백 함수 foo의 함수 실행 콘텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 콘텍스트가 된다. 이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝 된다.

 

 

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이처럼 비동기 함수인 setTimeout의 콜백 함수는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가 콜 스택이 비게 되면, 다시 말해 전역 코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료하면 비로소 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

 

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작하기에 브라우저가 아니라 브라우저에 내장된 자바스크립트 엔진이라는 것에 주의해야 한다. 만약 모든 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작한다면 자바스크립트는 비동기로 동작할 수 없다.

 

즉, 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

 

예를 들어, setTimeout 함수의 모든 처리가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드로 수행된다고 가정해 보자.

이때 setTimeout 함수의 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정도 자바스크립트 엔진에서 수행될 것이므로 대기 시간 동안 어떤 태스크도 실행할 수 없다. 즉, setTimeout 함수의 타이머 설정까지 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작해서는 비동기로 동작할 수 없다. 

 

브라우저는 자바스크립트 엔진 외에도 렌더링 엔진과 Web API를 제공한다. Web API는 ECMAScript 사양에 정의된 함수가 아니라 브라우저에서 제공하는 API이며, DOM API와 타이머 함수, HTTP 요청(Ajax)과 같은 비동기 처리를 포함한다. 위 예제에서 살펴봤듯이 브라우저의 Web API인 setTimeout 함수가 호출되면 자바스크립트 엔진의 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

 

하지만 setTimeout 함수의 두 가지 기능인 타이머 설정과 타이머가 만료하면 콜백 함수를 태스크 큐에 등록하는 처리는 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 실행한다. 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다. 이처럼 브라우저와 자바스크립트 엔진이 협력하여 비동기 함수인 setTimeout 함수를 실행한다.

 

 

Ref: 모던 자바 스크립트 Deep Dive