브라우저의 렌더링 과정

이번시간에는 브라우저가 서버와 어떻게 통신을 주고받으며 화면을 표시해주는지 알아보겠습니다.

HTML 파싱

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스(HTML, CSS, javascript 등)을 서버에 요청하고, 서버로부터 응답 받아 브라우저에 시각적으로 렌더링 하는 것입니다. 서버에서 필요한 리소스를 응답 받아 응답물을 파싱하며 렌더링 하는 것이죠.
브라우저가 응답받는 HMTL문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트입니다. 이러한 텍스트를 시각적인 픽셀로 렌더링하기 위해 HTML을 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조로 변환하여 메모리에 저장해야 합니다.

브라우저의 렌더링 엔진은 다음과 같은 과정을 통해 응답받은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM(Document Object Model)을 생성합니다.

1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답됩니다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트를 인터넷을 경유하여 응답합니다.

2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML문서를 바이트(2진수)의 형태로 응답받습니다. 그리고 이러한 데이터는 응답받은 문서의 meta태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식(UTF-8등)을 기준으로 문자열로 변환됩니다. 이러한 meta태그의 인코딩 방식은 응답 헤더에 담겨옵니다.

3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰으로 분해합니다.

4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드를 생성합니다. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성되고 이는 DOM을 구성하는 기본 요소가 됩니다.

5. HTML문서는 이러한 요소들의 중첩 관계로 인한 트리 자료구조로 구성됩니다. 이렇게 노드들로 구성된 트리형의 자료구조를 DOM이라고 부릅니다.

즉, DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물입니다.

CSS와 CSSOM(CSS Object Model)

렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한 줄씩 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성합니다. 그러다 중간에 css를 로드하는 link나 style태그를 만나면 DOM 생성을 중단합니다.

그리고 link태그의 href에 지정된 css파일을 서버에 요청하여 로드한 css파일을 HTML과 동일한 파싱 과정을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성합니다. 이후 css파싱이 완료되면 HTML파싱을 중단한 부분부터 다시 파싱하기 시작합니다.

렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 결과물을 이용해 DOM과 CSSOM을 생성합니다. 그리고 이들은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합됩니다.

렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조입니다. 브라우저 화면에 렌더링 되지 않는 노드(meta, script등)와 css에 의해 비표시(display: none)된 노드들은 포함하지 않습니다. 이러한 렌더트리는 DOM과 CSSOM을 결합한 형태의 트리구조로 존재합니다.

이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)를 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링 하는 페인팅 처리에 입력됩니다.
이렇게 살펴본 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있습니다. 예를 들어, 다음과 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 실행됩니다.

• 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
• 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
• HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는 스타일 변경

레이아웃 계산과 리페인팅은 비용이 많이 드는 작업입니다. 따라서 가급적 리렌더링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있습니다. 여기서 우리는 리액트와 같은 라이브러리를 도입하는 장점에 대해서도 생각해볼 수 있습니다.

자바스크립트 파싱과 실행

DOM은 HTML 구조와 정보뿐만 아니라 요소와 스타일을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공합니다. 즉, 자바스크립트를 이용해 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있습니다.

css파싱과 마찬가지로 렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성하다가 script태그를 만나면 DOM생성을 일시 중단합니다.

이후 script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 로드한 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에(v8등) 제어권을 넘깁니다. 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML을 다시 파싱하며 DOM을 생성합니다.

자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리합니다. 자바스크립트 엔진은 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행하는 역할을 합니다. 자바스크립트 엔즌은 구글 크롬과 Node.js의 V8, 파이어폭스의 SpiderMonkey, 사파리의 JavaScriptCore 등 종류가 다양하며, 모든 엔진은 ECMAScript 사양을 준수합니다.

렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 코드를 파싱하기 시작합니다. DOM, CSSOM 생성과 마찬가지로 자바스크립트 엔진은 자바스크립트를 해석하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성합니다. 그리고 이를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트 코드를 생성하여 실행합니다.

• 토크나이징 - 단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해합니다.
• 파싱 - 토큰들의 집합을 구문 분석하여 AST를 생성합니다. AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조입니다.
• 바이트코드 생성과 실행 - AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행됩니다.

리플로우와 리페인트

만약 자바스크립트 코드에 DOM, CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우 DOM과 CSSOM은 변경됩니다. 이때 변경된 트리들은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저 화면에 다시 렌더링 됩니다. 이를 리플로우, 리페인트 라고 합니다.

리플로우는 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행됩니다. 리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말합니다.

따라서 리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니며 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행됩니다.

자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

브라우저는 동기적으로, 즉 위에서 아래 방향으로 순차적으로 파싱하고 실행합니다. 이것은 태그의 위치에 따라 HTML파싱이 블로킹되어 DOM생성이 지연될 수 있다는 것을 의미합니다. 따라서 script태그의 위치는 중요한 의미를 갖습니다.

만약 아직 생성되지 않은 DOM을 DOM API를 이용해 조작하는 일이 생긴다면 문제가 발생할 것입니다. 이런 문제를 해결하기 위해 body태그 가장 아래에 자바스크립트를 위치시키는 것이 정말 좋은 아이디어 입니다.

• 생성되지 않은 DOM조작을 막아 에러를 막는다.
• HTML 요소들의 렌더링에 지장받는 일이 발생하지 않아 페이지 로딩 시간이 단축된다.

script태그의 async/defer 어트리뷰트

앞에서 살펴본 DOM생성 중단 문제를 근본적으로 해결하기 위해 HTML5부터 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.

이들은 script에서 src를 이용해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다. 즉, 인라인 자바스크립트에는 사용할 수 없다.

<script async src="external.js"></script>
<script defer src="external.js"></script>

async와 defer 어트리뷰트는 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되도록 도와준다. 하지만 실행 시점에는 차이가 있다.

• async
  HTML파싱과 js파일 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 이후 js파일 로딩이 완료되면 완료된 직후 실행되며, 이때 HTML파싱이 중단된다.

• defer
  
  async와 마찬가지로 비동기로 js파일을 로딩한다. 이후 실행은 html파싱이 완료된 직후 진행된다.

• 출처 - 모던 자바스크립트 Deep Dive,이웅모, 위키북스