[JS Deep Dive] 42. 비동기 프로그래밍

42.1 동기 처리와 비동기 처리

23장 실행 컨테스트에서 살펴본 바와 같이 함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성된다.

 

이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)에 push되고 함수 코드가 실행된다. 함수 코드의 실행이 종료하면 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 pop되어 제거된다.

 

 

함수가 실행되려면 '함수 코드 평가 과정'에서 생성된 함수 실행 컨텍스트가 콜 스택에 push되어야 한다. 다시 말해, 콜 스택에 함수 실행 컨텍스트가 push되는 것은 바로 함수 실행의 시작을 의미한다.

 

함수가 호출된 순서대로 순차적으로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 함수 실행 컨텍스트가 콜 스택에 push되기 때문이다. 이처럼 함수의 실행 순서는 콜 스택으로 관리한다.

 

JS 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 갖는다. ⭐️

 

이는 함수를 실행할 수 있는 창구가 단 하나이며, 동시에 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없다는 것을 의미한다. 콜 스택의 최상위 요소인 '실행 중인 실행 컨텍스트'를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두 실행 대기중인 Task 들이다.

 

대기 중인 Task들은 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 pop되어 콜 스택에서 제거되면, 다시 말해 현지 실행중인 함수가 종료되면 비로소 실행되기 시작한다.

 

이처럼 JS 엔진은 한 번에 하나의 Task만 실행할 수 있는 싱글 스레드(Single Thread) 방식으로 동작한다.

 

싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 Task만 실행할 수 있기 때문에 처리에 시간이 걸리는 Task를 실행하는 경우 블로킹(작업 중단, Blocking)이 발생한다.

ex) setTimeout 함수와 유사하게 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수를 호출하는 sleep 함수

 

// sleep 함수는 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출한다.
function sleep(func, delay) {
  // Date.now()는 현재 시간을 숫자(ms)로 반환한다.("30.2.1. Date.now" 참고)
  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');
}

// sleep 함수는 3초 이상 실행된다..
sleep(foo, 3 * 1000);
// bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 블로킹된다.
bar();
// (3초 경과 후) foo 호출 -> bar 호출

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

 

이처럼 현재 실행 중인 Task가 종료할 때까지 다음에 실행될 Task가 대기하는 방식을 동기(Synchronous) 처리라고 한다.

 

동기 처리 방식은 Task를 순서대로 하나씩 처리하므로 '실행 순서가 보장된다'는 장점이 있지만, '앞선 Task가 종료할 때까지 이후 Task들이 블로킹된다'는 단점이 있다.

 

위 예제를 타이머 함수인 setTimeout을 사용하여 수정해보자.

 

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 Task를 블로킹하지 않고 곧바로 실행한다.

 

이처럼 현재 실행 중인 Task가 종료되지 않은 상태라고 해도 다음 Task를 곧바로 실행하는 방식을 비동기(Asynchronous) 처리라고 한다.

 

동기 처리 방식은 Task를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 Task가 종료할 때까지 이후 Task들이 블로킹된다는 단점이 있었다.

 

비동기 처리 방식은 현재 실행 중인 Task가 종료되지 않은 상태라고 해도 다음 Task를 곧바로 실행하므로 '블로킹이 발생하지 않는다'는 장점이 있지만, 'Task의 실행 순서가 보장되지 않는다'는 단점이 있다.

 

비동기 처리를 수행하는 비동기 함수는 전통적으로 콜백 패턴을 사용한다. 비동기 처리를 위한 콜백 패턴은 콜백 지옥(Callback Hell)을 발생시켜 가독성을 나쁘게 하고, 비동기 처리 중 발생한 에러의 예외 처리가 곤란하며, 여러 개의 비동기 처리를 한번에 처리하는 데도 한계가 있다.

 

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

 

비동기 처리는 이벤트 루프(Event Loop)와 테스크 큐(Task Queue)와 깊은 관계가 있다.

 

42.2 이벤트 루프와 테스크 큐

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

 

예를 들어, HTML 요소가 애니메이션 효과를 통해 움직이면서 이벤트를 처리하기도 하고, HTTP 요청을 통해 서버로부터 데이터를 가지고 오면서 렌더링되기도 한다.

 

이처럼 JS의 동시성(Concurrency)을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프(Event Loop)이다.

 

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나이다. 브라우저 환경을 그림으로 표현하면 다음과 같다.

 

이벤트 루프와 브라우저 환경

구글의 V8 JS 엔진을 비롯한 대부분의 JS 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분할 수 있다.

 

• 콜 스택(Call Stack) : 23장 실행 컨텍스트에서 살펴본 바와 같이 소스코드(전역 코드나 함수 코드 등) 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택이 바로 '콜 스택'이다.
  • 함수를 호출하면 함수 실행 컨텍스트가 순차적으로 콜 스택에 push되어 순차적으로 실행된다.
  • JS 엔진은 단 하나의 콜 스택을 사용하기 때문에 실행 중인, 즉 최상위 실행 컨텍스트가 종료되어 콜 스택에서 제거되기 전까지는 다른 어떠한 Task도 실행되지 않는다.
• 힙(Heap) : 힙은 객체가 저장되는 메모리 공간이다. 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.
  • 메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리 공간의 크기를 결정해야 한다. 객체는 원시 값과 달리 크기가 정해져 있지 않으므로 할당해야 할 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정, "동적 할당"해야 한다.
  • 따라서 객체가 저장되는 메모리 공간인 힙은 구조화 되어 있지 않다는 특징이 있다.

이처럼 콜 스택과 힙으로 구성되어 있는 JS 엔진은 단순히 Task가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행할 뿐이다.

 

비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 JS 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당한다.

 

예를 들어, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout의 '콜백 함수의 평가와 실행'은 JS 엔진이 담당하지만, 호출 스케줄링을 위한 '타이머 설정'과 '콜백 함수의 등록'은 브라우저 또는 Node.js가 담당한다.

 

이를 위해 브라우저 환경은 테스크 큐와 이벤트 루프를 제공한다.

 

• 테스크 큐(Task Queue) : setTimeout 이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다. 테스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메소드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로 테스크 큐도 존재한다. 이에 대해서는 45.7절 에서 살펴본다.
• 이벤트 루프(Event Loop) : 이벤트 루프는 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 테스크 큐에 대기 중인 함수(콜백 함수, 이벤트 핸들러 등)이 존재하는지 반복해서 확인한다. 만약에 콜 스택이 비어있고 테스크 큐에 대기 중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적(FIFO)으로 테스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. ⭐️ 이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다. 즉, 테스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다.

 

브라우저 환경에서 다음 예제가 어떻게 동작할지 살펴보자. foo 함수와 bar 함수 중에서 먼저 실행될 함수는 무엇일까 ?

function foo() {
  console.log('foo');
}

function bar() {
  console.log('bar');
}

setTimeout(foo, 0); // 0초(실제는 4ms) 후에 foo 함수가 호출된다.
bar();

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고, 콜 스택에 push 된다.
2. 전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출된다. 이때 setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 push되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 브라우저 Web API인 타이머 함수도 함수이므로 함수 실행 컨텍스트를 생성한다.
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 pop된다. 이때, 호출 스케줄링 즉 '타이머 설정'과 '타이머가 만료되면 콜백 함수를 테스크 큐에 push하는 것'은 브라우저의 역할이다.
4. 브라우저가 수행하는 4-1과 JS 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다.
   1. 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 테스크 큐에 push된다. 위 예제의 경우 지연 시간(delay)이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 지정된다. 따라서 4ms 후에 콜백 함수 foo가 테스크 큐에 push되어 대기하게 된다. 이 처리 또한 JS 엔진이 아니라 브라우저가 수행한다. 이처럼 setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백 함수는 정확히 지연 시간 후에 호출된다는 보장은 없다. 지연 시간 이후에 콜백 함수가 테스크 큐에 push되어 대기하게 되지만 콜 스택이 비어야 호출되므로 약간의 시간차가 발생할 수 있기 때문이다.
   2. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 push되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 pop된다. 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과했다면 foo함수는 아직 테스크 큐에서 대기 중이다.
5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 pop된다. 이로서 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않게 된다.
6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어있음이 감지되고 테스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 push된다. 다시 말해, 콜백 함수 foo의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 push되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 pop된다.

이처럼 비동기 함수인 'setTimeout의 콜백 함수'는 테스크 큐에 push되어 대기하다가 콜 스택이 비게 되면 즉, 전역 코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료하고 나면 비로소 콜 스택에 push되어 실행된다.

 

JS는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 이때 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 '브라우저에 내장된 JS엔진'이라는 것에 주의하기 바란다. ⭐️

 

만약에 모든 JS 코드가 JS 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작한다면 JS는 비동기로 작동할 수 없다. 즉, JS 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

 

브라우저는 JS 엔진 외에도 '렌더링 엔진'과 'Web API'를 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 살펴보았듯, 브라우저의 Web API인 setTimeout 함수가 호출되면 JS 엔진의 콜 스택에 push되어 실행된다.

하지만 setTimeout 함수의 2가지 기능인 '타이머 설정'과 '타이머가 만료되면 콜백 함수를 테스크 큐에 등록하는 처리'는 JS 엔진이 아니라 브라우저가 실행한다.

 

브라우저가 수행하는 4-1과 JS 엔진이 수행하는 4-2는 "병행 처리"된다. 이처럼 브라우저와 JS 엔진이 협력하여 비동기 함수인 setTimeout 함수를 실행한다.