비동기 프로그래밍

비동기 프로그래밍

실행 컨텍스트 스택

함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성됩니다. 이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)에 푸시되고 함수 코드가 실행됩니다. 함수 코드의 실행이 종료되면 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거됩니다.

함수가 실행되려면 함수 코드 평가 과정에서 생성된 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시되어야 합니다.

자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 가지고 있습니다. 이는 함수를 실행할 수 있는 창구가 단 하나이며, 동시에 두 개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없다는 것을 의미합니다.

싱글 스레드

자바스크립트 엔진은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드 방식으로 동작합니다. 싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있기 때문에 처리하는데 시간이 오래 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹(작업 중단)이 발생합니다.

동기 처리와 비동기 처리

현재 실행중인 태스크가 종료될 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기 처리라고 합니다. 동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료될 때까지 이 후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있습니다.

setTimeout 함수처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기 처리라고 합니다. 비동기 처리 방식은 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하므로 블로킹이 발생하지 않는다는 장점이 있지만, 태스크의 실행 순서가 보장되지 않는다는 단점이 있습니다.

비동기 처리를 수행하는 비동기 함수는 전통적으로 콜백 패턴을 사용합니다. 비동기 처리를 위한 콜백 패턴은 콜백 헬을 발생시켜 가독성을 나쁘게 하고, 비동기 처리 중 발생한 에러의 예외 처리가 곤란하며, 여러 개의 비동기 처리를 한 번에 처리하는 데도 한계가 있습니다.

타이머 함수인 setTimeout 과 setInterval , HTTP 요청, 이벤트 핸들러는 비동기 처리 방식으로 동작합니다. 비동기 처리는 이벤트 루프, 태스크 큐와 깊은 관계가 있습니다.

이벤트 루프와 브라우저 환경

이벤트 루프

자바스크립트의 특징 중 하나는 싱글 스레드로 동작한다는 것인데요, 브라우저가 동작하는 것을 보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴집니다. HTTP 요청을 통해 서버로부터 데이터를 가지고 오면서 렌더링을 하는 것처럼 자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프입니다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나입니다.

콜 스택(call stack)

콜 스택은소스코드 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택입니다.

힙(heap)

객체가 저장되는 메모리 공간. 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조합니다.

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

이처럼 콜 스택과 힙으로 구성되어 있는 자바스크립트 엔진은 단순히 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행하기만 합니다. 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외함 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당합니다.

예를 들어, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout 의 콜백 함수의 평가화 실행은 자바스크립트 엔진이 담당하지만 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정과 콜백 함수의 등록은 브라우저 또는 Node.js가 담당합니다. 이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공합니다.

태스크 큐(tast queue/event queue/callback queue)

setTimeout 이나 setInterval 과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역입니다. 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로태스크 큐도 존재합니다.

이벤트 루프(event loop)

이벤트 루프는 콜 스택에 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기중인 함수(콜백 함수, 이벤트 핸들러 등)가 있는지 반복해서 확인합니다. 만약 콜스택이 비어 있고 태스크 큐에 대기중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적으로 태스크 큐에 대기중인 함수를 콜 스택으로 이동시킵니다. 이떄 콜 스택으로 이동한 함수는 실행됩니다. 즉, 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작합니다.

자바스크립트 엔진과 브라우저

비동기 함수인 setTimeout 의 콜백 함수는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가 콜 스택이 비게 되면, 비로소 콜 스택에 푸시되어 실행됩니다.

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작하는데요, 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 브라우저에 내장된 자바스크립트 엔진입니다. 만약 모든 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작한다면 자바스크립트는 비동기로 동작할 수 없습니다.

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

브라우저는 자바스크립트 엔진 외에도 렌더링 엔진과 Web API를 제공합니다. Web API는 ECMAScript 사양에 정의된 함수가 아니라 브라우저에서 제공하는 API이며, DOM API와 타이머 함수, HTTP 요청(Ajax)과 같은 비동기 처리를 포함합니다.

브라우저의 Web API인 setTimeout 함수가 호출되면 자바스크립트 엔진의 콜 스택에 푸시되어 실행됩니다. 하지만 setTimeout 함수의 기능인 '타이머 설정'과 '타이머가 만료하면 콜백 함수를 태스크 큐에 등록'하는 처리는 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 실행합니다. 이처럼 브라우저와 자바스크립트 엔진이 협력하여 비동기 함수인 setTimeout 함수를 실행합니다.

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