JavaScript - 비동기 프로그래밍

동기와 비동기

자바스크립트는 코드를 평가하고 실행하는 과정에서 실행 컨텍스트를 생성한다.

전역 실행 컨텍스트부터 함수 실행 컨텍스트까지 코드를 평가해서 실행 컨텍스트를 생성하고 실행 컨텍스트 스택에 푸시한 다음 코드를 실행한다. 그리고 실행 컨텍스트 스택에서 팝해서 제거한다.

자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 갖는다. 이는 동시에 2개 이상의 함수를 실행할 수 없다는 것을 의미한다.

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

싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있기 때문에 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹이 발생한다.

실행 중인 태스크가 종료될 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기(synchronous)처리라고 한다.

실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기(asynchronous)처리라고 한다.

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

이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트 엔진이 싱글 스레드 방식으로 동작한다는 것은 이미 알고 있다. 하지만 브라우저의 동작을 보면 동시에 많은 태스크가 처리되는 것처럼 느껴진다.

HTML 요소가 애니메이션 효과를 통해 움직이면서 이벤트를 처리하기도 하고, HTTP 요청을 통해 서버로부터 데이터를 가지고 오면서 렌더링 하기도 한다.

이처럼 자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나다.

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.js가 담당한다.

예를 들어 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 큐란 setTimeout, setInterval 과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다. 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로 태스크 큐도 존재한다.

이벤트 루프는 콜 스택에서 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 큐에서 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다.

이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다. 즉, 태스크 큐에서 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다.

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

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

setTimeout(foo, 0);
bar();

브라우저에서 위 코드의 동작 과정을 살펴본다.

1. 가장 먼저 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시 된다.

2. 전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출된다. 이때 setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 브라우저의 Web API인 타이머 함수도 함수이므로 함수 실행 컨텍스트를 생성한다.

3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링 하고 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 이때 호출 스케줄링, 즉 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 푸시하는 것은 브라우저의 역할이다.

4. 브라우저가 수행하는 과정과 자바스크립트가 수행하는 과정이 병행 처리된다.

   1. (브라우저) 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 위 예제의 경우 지연 시간(delay)이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 적용된다. 따라서 4ms 이후에 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 있기 때문이다.
   2. (자바스크립트 엔진) 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 루프에 의해 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 팝 된다.

   이처럼 비동기 함수인 setTimeout의 콜백 함수는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가 콜 스택이 비게 되면, 다시 말해 전역 코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료되면, 비로소 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 이때 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 브라우저에 내장된 자바스크립트 엔진이라는 것에 주의해야 한다.

자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.