실행 컨텍스트와 비동기 처리

(출처) 모던 자바스크립트 딥다이브 / 저자 이웅모

실행 컨텍스트는 자바스크립트의 동작 원리를 담고 있는 핵심 개념이다.

실행 컨텍스트를 바르게 이해하면 자바스크립트가 스코프를 기반으로 식별자와 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 방식과 호이스팅이 발생하는 이유, 클로저의 동작 방식 그리고 태스크 큐와 함께 동작하는 이벤트 핸들러와 비동기 처리의 동작 방식을 이해할 수 있다.

모든 소스코드는 실행에 앞서 평가 과정을 거치며 코드를 실행하기 위한 준비를 한다.
자바스크립트 엔진은 소스코드를 "소스코드의 평가"와 "소스코드의 실행"과정을 나누어 처리한다.
소스코드의 평가 과정에서 실행 컨텍스트를 생성하고 변수, 함수 등의 선언문만 먼저 실행하여 생성된 변수나 함수 식별자를 키로 실행컨텍스트가 관리한는 스코프에 등록한다.
소스코드 평가 과정이 끝나면 비로소 선언문을 제외한 소스코드가 순차적으로 실행되기 시작한다.
즉, 런타임이 시작된다.
이때 소스코드 실행에 필요한 정보, 즉 변수나 함수의 참조를 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색하여 취득한다. 그리고 변수 값의 변경 등 소스코드의 실행 결과는 다시 실행컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록된다.

1. 전역 소스코드평가의 과정 전역 실행 컨텍스트 생성
   / 전역 선언문 전역 스코프 등록
2. 전역 소스코드 실행 / 전역 변수 = 값 할당 / 함수() 호출문 => 함수내부로 진입
3. 함수내부 지역 변수 선언문 + 매개변수 + arguments객체 지역스코프 등록 / this 바인딩 결정됨
4. 함수코드 평가 과정이 끝나면 호출이후 전역에서 다시 순차적실행

이처럼 코드가 실행 될때 스코프, 식별자, 코드 실행 순서 등을 관리하는것이 바로 실행 컨텍스트이다.
실행 컨텍스트는 소스 코드를 실행하는데 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역이다.
즉, 실행 컨텍스트는 식별자(변수,함수,클래스 등의 이름)를 등록하고 관리하는 스코프와 코드 실행 순서 관리를 구현한 내부 메커니즘으로, 모든 코드는 실행 컨텍스트를 통해 관리된다.

함수의 호출이후 함수코드가 평가 될때 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 이것이 실행 컨텍스트 스택에 푸시 되어 함수코드가 실행된다. 모든 함수실행 컨텍스트는 호출된 순서대로 순차적으로 스택에 푸쉬되어 하나씩 실행된다.
자바스크립트 엔진은 단 한나의 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)을 갖는다.
이는 함수를 실행할 수 있는 창구가 단 하나이며, 동시에 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없다는 것을 의미한다.

실행 컨텍스트 스택의 최상위 요소인 "실행 중인 실행 컨텍스트"를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두 실행 대기중인 태스크(task)들이다. 대기 중인 태스크들은 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 팝되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거되면, 다시 말해 현재 실행중인 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(작업 중단)이 발생한다.

현재 실행중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기 처리
라고 한다. 동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있다.

현재 실행 중인 태스크가 종료 되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기처리라고 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 콜백지옥을 발생시켜 가독성을 나쁘게하고, 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.

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, HTTP요청을 통해서 서버로부터 데이터를 가지고 오면서 렌더링하기도 한다. 이처럼 자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프이다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나이다.
구글 V8 자바스크립트 엔진을 비롯한 대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분할수 있다.

• 콜 스택
  소스코드(전역 코드나 함수 코드 등) 평과 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스츠 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 컨텍스트(실행 중인 컨텍스트)가 종료되어 콜 스택에서 제거되기 전까지는 다른 어떤 태스크도 실행되지 않는다.
  
• 힙
  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 값과는 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.

콜 스택과 힙으로 구성된 자바스크립트 엔진은 단순히 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적을 실행할 뿐이다. 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당한다. 예를 들면, 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.

• 태스크 큐
  setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역. 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로태스크 큐도 존재한다.

• 이벤트 루프
  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 비어 있고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. 이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다. 즉 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다.

//예제
function foo() {
	console.log('foo');
}
function bar() {
	console.log('bar');
}
setTimeout(foo, 0);
bar()

// 1. 전역코드가 평가되어 전역 실행컨텍스트가 생성, 콜스택에 푸시
// 2. 전역코드가 실행되기 시작하여 setTimeout함수가 호출된다. 
//    이때 setTimeout함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜스택에 푸시되어 현재 실행중인 실행 컨텍스트가된다.
//    브라우저 Web API인 타이머 함수도 함수이므로 함수 실행컨텍스트를 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. 브라우저와 자바스크립트 엔진이 병행처리 
	- 브라우저 : 브라우저느 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 
        위예제의 경우 지연시간이 0 이지만 지연시간이 4ms이하인 경우 최소 지연시간 4ms가 지정된다. 따라서 4ms 후에 콜백함수 foo가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 된다. 이 처리 또한 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 수행한다. 
        이처럼 setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백 함수는 정확히 지연시간 후에 호출된다는 보장은 없다. 지연시간 이후에 콜백 함수가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 되지만 콜 스택이 비어야 호출되므로 약간의 시간차가 발생할 수 있기 때문이다.
        - 자바스크립트 엔진 : bar 함수가 호출되어 bar함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 bar함수가 종료되어 콜 스택에서 팝 된다. 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과 했다면, foo함수는 아직 태스크 큐에 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 대기중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 푸시된다. 다시 말해, 콜백 함수 foo의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시 되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 foo함수가 종료되어 콜 스택에 팝된다.  
    

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

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 이때 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 브라우저에 내장된 자바스크립트 엔진이라는 것에 주의하기 바란다. 만약 모든 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작한다면 자바스크립트는 비동기로 동작할 수없을 것이다. 즉, 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

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 실행하는 부분과 자바스크립트 엔진이 수행하는 부분이 예제처럼 병행처리된다. 이처럼 브라우저와 자바스크립트 엔진이 협력하여 비동기 함수인 setTimeout함수를 실행한다.

마이크로 태스크 큐 https://sculove.github.io/post/javascriptflow/
Event Loop 와 Queue
Event Loop에서 Loop의 사전적인 의미는 '반복. 순환'이다. Event Loop는 사전적인 의미처럼 계속 반복해서 call stack과 queue 사이의 작업들을 확인하고, call stack이 비워있는 경우 queue에서 작업을 꺼내어 call stack에 넣는다. 자바스크립트는 이 Event Loop와 Queue들을 이용하여 비동기 작업을 수행한다. 직접적인 작업은 Web API에서 처리되고, 그 작업들이 완료되면 요청시 등록했던 callback이 queue에 등록된다.
Event Loop는 이 작업들을 Queue에서 꺼내어 처리한다.
Event Loop는 stack에 처리할 작업이 없을 경우 우선적으로 microtask queue를 확인한다. microtask queue에 작업이 있다면 microtask에 있는 작업을 꺼내서 call stack에 넣는다. 만약 microtask의 queue가 비어서 더 이상 처리할 작업이 없으면 이때 task queue를 확인한다. task queue의 작업도 꺼내서 call stack에 넣는다. 이렇게 Event Loop와 Queue는 자바스크립트 엔진이 하나의 코드 조각을 하나씩 처리할 수 있도록 작업을 스케줄하는 동시에 이러한 이유로 우리는 자바스크립트에서 비동기 작업을 할수 있도록 해준다.

콜백 큐 https://velog.io/@code-bebop/JS-%EC%9D%B4%EB%B2%A4%ED%8A%B8-%EB%A3%A8%ED%94%84-%EC%BD%9C%EB%B0%B1-%ED%81%90