[ 모던 자바스크립트 스터디 ] 비동기 프로그래밍

동기 처리와 비동기 처리

 

함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성된다.

이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에 푸시되고 함수 코드가 실행된다.

 

자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨택스트 스택을 갖는다.

 

이는 동시에 2개 이상의 함수를 실행시킬 수 없다는 것을 의미한다.

실행 컨텍스트 스택의 최상위 요소인 "실행중인 실행 컨텍스트"를 제외한 모든 실행 컨텍스트는

모두 실행 대기중인 태스크 들이다.

 

대기중인 태스크들은 현재 실행중인 함수가 종료되면 비로소 실행된다.

 

 

이처럼 자바스크립트 엔진은 한번에 하나의 태스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드 방식으로 동작한다.

싱글스레드 방식은 한 번에 하나의 태슼느만 실행할 수 있기 때문에

처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하면 블로킹이 발생한다.

 

현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기 처리라고 한다.

동기 처리 방식은 실행 순서가 보장된다는 장점이 있으나, 앞의 태스크가 종료될 때까지 태스크들이 블로킹 되는 단점이 있다.

 

이와 반대되는 개념으로, setTimeout 과 같이 현재 실행 중인 태스크가 종료 되지 않은 상태라해도

다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기 처리라고 한다.

 

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 패턴은 콜백 지옥을 일으켜 가독성이 떨어지고, 비동기 처리 중 발생한 에러의 예외 처리가 힘들고,

여러 개의 비동기 처리를 한번에 처리하는데도 한계가 있다.

 

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

 

 

이벤트 루프와 태스크 큐

 

자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나이다.

 

대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분 가능하다.

 

• 콜 스택 : 
  소스코드 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택이 바로 콜 스택이다.
• 힙
  객체가 저장되는 메모리 공간으로, 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.
  메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리 공간의 크기를 결정해야한다.
  객체는 원시 값과는 달리 크기가 정해져 있지 않으므로 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정해야한다.
  따라서 힙은 구조화 되어있지 않다는 특징이 있다.

 

이렇게 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.js 가 담당한다.

 

예를 들어, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout 콜백함수의 평가와 실행은 자바스크립트 엔진이 담당하지만

호출 스케줄링을 위한 타이머 설정과 콜백 함수의 등록인 브라우저 또는 Node.js 가 담당한다.

이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공한다.

 

 

• 태스크 큐 :
  setTimeout 이나  setInterval 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다.
• 이벤트 루프 :
  콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있는지 반복해서 확인한다.
  만약 콜 스택이 비어있고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적으로 태스크 큐에 대기중인 함수를
  콜 스택으로 이동시킨다. 이떄 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다.
  태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다.

 

 

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

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

setTimeout(foo, 0); // 0초 (실제로는 4ms) 이후 foo 호출
bar();

 

위 코드는 아래와 같은 순서로 실행된다.

 

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트 생성 & 콜 스택에 푸시
2. 전역 코드가 실행되기 시작해 setTimeout 함수가 호출됨. 이때 setTimeout 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고
   콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 됨.
   브라우저의 Web API 인 타이머 함수도 함수이므로 함수 실행 컨텍스트 생성함
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 팝됨.
   이때 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 푸시하는 것은 브라우저의 역할임.
4. 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리됨
   1. 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다림.
      이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo 가 태스크 큐에 푸시됨. 지연시간이 4ms 이하일 경우 최소 지연시간 4ms 가 지정됨.
      따라서 4ms 후에 콜백 함수 foo 가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 됨.
      setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백 함수는 정확히 지연 시간 후에 호출된다는 보장이 없음.
      지연 시간 이후 콜백 함수가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 되지만,
      콜 스택이 비어야 호출되기 때문에 약간의 시간차가 발생할 수 있음.
   2. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 됨.
      이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝 됨.
5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝됨. 이로서 콜 스택은 비어있음.
6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어있음이 감지되고 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해
   콜 스택에 푸시됨.
   이후 foo 함수 종료되어 콜 슽액에서 팝됨.

 

 

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작한다.

이때 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 자바스크립트 엔진이다.

 

자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

 

예를 들어 setTimeout 함수의 모든 처리가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드로 수행된다면,

setTimeout 함수의 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정도 자바스크립트 엔진에서 수행되므로

대기 시간동안 어떤 태스크도 실행할 수 없다.(sleep 처럼)

 

즉, setTimeout 함수의 타이머 설정까지 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작해서는 비동기로 동작할 수 없다.

 

브라우저는 자바스크립트 엔진 외에도 렌더링 엔진과 Web API 를 제공한다.

Web API 는 ECMAScript 사양에 정의된 함수가 아닌 브라우저에서 제공하는 API 이며,

DOM API 와 타이머함수, HTTP 요청(Ajax)과 같은 비동기 처리를 포함한다.

 

브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행처리된다.