[모던 자바스크립트 Deep Dive] 42장: 비동기 프로그래밍

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동기 처리와 비동기 처리

• 함수를 호출하면 함수 코드가 평가 되어 함수 실행 컨텍스트가 생성됨

  → 이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)에 푸시되고 함수 코드가 실행 됨

  → 함수 코드의 실행이 종료하면 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝 되어 제거됨

  eg.

    const foo = () => {};
    const bar = () => {};
  
    foo();
    bar();

- 실행 컨텍스트 스택에 함수 실행 컨텍스트가 푸시 되는 것 ⇒ 함수 실행의 시작
- 함수가 호출된 순서대로 순차적으로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시 되기 때문

⇒ 함수의 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택으로 관리

• 자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트를 가지기 때문에, 한 번에 하나의 태스크만 실행 가능 (싱글 스레드 방식)
  • 실행 컨텍스트 스택의 최상위 요소인 “실행 중인 실행 컨텍스트”를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두 실행 대기 중인 컨텍스트
  • 대기 중인 태스크들은 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 팝되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거되면 (= 현재 실행 중인 함수가 종료하면) 비로소 실행되기 시작

⇒ 때문에 처리에 시간이 필요한 태스크를 실행하는 경우 블로킹(작업 중단)이 발생

eg.

// 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

• bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 블로킹됨

⇒ 동기(synchronous) 처리: 현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식

• 장점) 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장됨
• 단점) 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹됨

eg. 타이머 함수인 setTimeout을 사용하여 수정한 버전

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**

• 타이머 함수 setTimeout은 그 이후의 bar 함수를 블로킹하지 않고 곧바로 실행함

⇒ 비동기(asynchronous) 처리: 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식

• 장점) 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하므로 블로킹이 발생하지 않음

• 단점) 태스크의 실행 순서가 보장되지 않음

• 비동기 처리를 수행하는 비동기 함수는 전통적으로 콜백 패턴을 사용함 but..

  • 콜백 헬(callback hell)을 발생시켜 가독성을 나쁘게 하고,
  • 비동기 처리 중 발생한 에러의 예외 처리가 곤란하며,
  • 여러 개의 비동기 처리를 한 번에 처리하는 데에도 한계가 있음

• 비동기 처리 방식의 예시:

  setTimeout, setInterval, HTTP 요청, 이벤트 핸들러

이벤트 루프와 태스크 큐

• 자바스크립트는 한 번에 하나의 태스크만 처리하는 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저가 동작하는 것을 살펴보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴짐
  • eg.
    • 애니메이션 효과를 통해 움직이면서 이벤트를 처리하는 HTML 요소
    • HTTP 요청을 통해 데이터를 가지고 오면서 진행되는 렌더링

⇒ 이벤트 루프(event loop): 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나로, 자바스크립트의 동시성을 지원함

• 구글의 V8 자바스크립트 엔진을 비롯한 대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분

  1. 콜 스택 (call stack)
     • 소스코드(전역 코드나 함수 코드 등) 평가 과정에서 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택
     • 함수를 호출하면 함수 실행 컨텍스트가 순차적으로 콜 스택에 푸시되어 순차적으로 실행됨
     • 자바스크립트 엔진은 단 하나의 콜 스택을 사용하기 때문에 최상위 실행 컨텍스트(실행 중인 실행 컨텍스트)가 종료되어 콜 스택에서 제거되기 전까지는 다른 어떤 태스크도 실행되지 않음
  2. 힙 (heap)
     • 객체가 저장되는 메모리 공간. 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조.
     • 메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리 공간의 크기를 결정해야 하는데, 객체는 원시 값과는 달리 크기가 정해져 있지 않으므로 할당해야 할 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정(동적 할당)해야 함 ⇒ 객체가 저장되는 메모리 공간인 힙은 구조화 되어 있지 않음

• 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당

  • eg. setTimeout
    • 콜백 함수의 평가와 실행 ⇒ 자바스크립트 엔진이 담당
    • 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정과 등록 ⇒ 브라우저 또는 Node.js가 담당

⇒ 이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공함

• 태스크 큐 (task queue / event queue / callback queue)
  • 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역
  • 태스크 큐와는 별도로 프로미스 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로태스크 큐도 존재
• 이벤트 루프 (event loop)
  • 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수(콜백 함수, 이벤트 핸들러 등)가 있는지 반복해서 확인
  • 만약 콜 스택이 비어있고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킴. 이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행됨 ⇒ 즉, 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작

foo 함수와 bar 함수 중에서 먼저 실행될 함수는?

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 푸시된다.

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

3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 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 완료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 위 예제의 경우 지연 시간(delay)이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 지정된다. 따라서 4ms 후에 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 된다. 이 처리 또한 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 수행한다. 이처럼 setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백 함수는 정확히 지연 시간 후에 호출된다는 보장은 없다. 지연 시간 이후에 콜백 함수가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 되지만 콜 스택이 비어야 호출되므로 약간의 시간차가 발생할 수 있다.

   4-2.

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

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

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

• 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 브라우저에 내장된 자바스크립트 엔진이라는 점에 주의

  • 만약 모든 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작한다면 자바스크립트는 비동기로 동작할 수 없음

  • ⇒ 즉, 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작함*

• 브라우저는 자바스크립트 엔진 외에도 렌더링 엔진과 Web API를 제공

  • Web API는 ECMAScript 사양에 정의된 함수가 아니라 브라우저에서 제공하는 API이며, DOM API와 타이머 함수, HTTP 요청(Ajax)과 같은 비동기 처리를 포함