모던 자바스크립트 Deep Dive [24] 클로저

INK·2024년 2월 25일

모던 자바스크립트 Deep Dive

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24장 클로저

클로저란?

함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어(클로저, 스칼라, 하스켈 등)에서 사용되는 특성이며, 자바스크립트만의 개념이 아닙니다.

MDN : A closure is the combination of a function and the lexical environmnet within which that function was declared.
클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.

const x = 1 ;

function outerFunc() {
  const x = 10;
  
  function innerFunc(){
    console.log(x); //10
  }
   
  innerFunc();
}

outerFunc();

본 코드에서의 innerFunc()의 경우에는 outerFunc()가 상위 스코프에 위치하기에 outerFunc함수의 변수를 참조하여 10이 출력됩니다.

const x = 1 ;

function outerFunc() {
  const x = 10;
  innerFunc();
}

function innerFunc(){
  console.log(x); //1
}

outerFunc();

이 코드에서 innerFunc()의 경우에는 함수 내부에 존재하는 중첩 함수의 형태가 아니므로 outerFunc 함수의 변수에 접근하지 못해 1이 출력됩니다.

=> 따라서 자바스크립트는 렉시컬 스코프를 따른다는 것을 알 수 있습니다.

렉시컬 스코프

자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아닌, 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정하며, 이를 렉시컬(정적) 스코프라 합니다.

스코프는 사실 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경입니다. 이 렉시컬 환경의 자신의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결됩니다. 이것이 바로 스코프 체인입니다.

따라서, "함수의 상위 스코프를 결정한다." 는 것은 "렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장할 참조값을 결정한다. "는 것과 같습니다. 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값이 바로 상위 렉시컬 환경에 대한 참조이며, 이것이 상위 스코프이기 때문입니다. 이 개념을 반영해 다시 렉시컬 스코프를 정의해보면 다음과 같습니다.

렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경(위치)에 의해 결정된다. 이것이 바로 렉시컬 스코프.

함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

함수가 정의된 환경과 호출되는 환경은 다를 수 있습니다. 따라서 렉시컬 스코프가 가능하려면 함수는 자신이 호출되는 환경과는 상관없이 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프를 기억해야 합니다. 이를 위해 함수는 자심의 내부 슬롯 [[Environment]]에 자신이 정의되는 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장합니다.

다시말해, 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성할 때 자신이 정의된 환경(위치)에 의해 결정된 상위 스코프의 참조를 함수 객체 자신의 내부 슬롯[[Environment]]에 저장합니다. 이때, 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 상위 스코프의 참조는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 가리킵니다.

예를 들어, 전역에서 정의된 함수 선언문은 전역 코드가 평가되는 시점에 평가되어 함수 객체를 생성합니다. 이때 생성된 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에는 함수 정의가 평가되는 시점, 즉 전역 코드 평가 시점에 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경인 전역 렉시컬 환경의 참조가 저장됩니다.

함수 내부에서 정의된 함수 표현식은 외부 함수 코드가 실행되는 시점에 평가되어 함수 객체를 생성합니다. 이때 생성된 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에는 함수 정의가 평가되는 시점, 즉 외부 함수 코드 실행 시점에 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경인 외부 함수 렉시컬 환경의 참조가 저장됩니다.

따라서 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프입니다. 또한 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장될 참조값입니다. 함수 객체는 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장한 렉시컬 환경의 참조, 즉 상위 스코프를 자신이 존재하는 한 기억합니다.

클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;

// ⓐ
function outer() {
  const x = 10;
  const inner = function () {console.log(x);}; // ⓑ
  return inner;
}

// outer 함수를 호출하면 중첩 함수 inner를 반환한다.
// 그리고 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거된다.
const innerFunc = outer(); // ⓒ
innerFunc(); // ⓓ 10

위 코드를 a-b-c-d순으로 살펴보도록 하겠습니다.

ⓐ outer 함수가 평가 되어 함수 객체를 생성할 때, 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 상위 스코프로서 저장합니다.

outer 함수를 호출하면 outer 함수의 렉시컬 환경이 생성되고 앞서 outer 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장된 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조" 에 할당합니다.

ⓑ 중첩 함수 inner가 평가됩니다. 이때 중첩 함수 inner는 자신의 [[Environment]] 내부 슬롯에 현재 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 outer 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장합니다.

이때 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거되지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아닙니다.

outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Environment]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고 inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않기 때문입니다. 가비지 컬렉터는 누군가가 참조하고 있는 메모리 공간을 함부로 해제하지 않습니다.

ⓓ outer 함수가 반환한 inner 함수를 호출하면 inner 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고, 실행 컨텍스트 스택에 push 됩니다. 그리고 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 inner 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장되어 있는 참조 값이 할당됩니다.

이처럼 외부 함수의 생존 여부와 상관 없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억하여 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지 되는 이러한 중첩 함수를 클로저라고 부릅니다. 이때 클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 자유 변수라고 부릅니다.

캡슐화와 정보 은닉

캡슐화는 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 메서드를 하나로 묶는 것을 말한다.
캡슐화는 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 사용하기도 하는데 이를 정보 은닉이라 한다.

정보 은닉은 외부에 공개할 필요가 없는 구현의 일부를 외부에 공개되지 않도록 감추어 적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지해 정보를 보호하고, 객체 간의 상호 의존성, 즉 결합도를 낮추는 효과가 있습니다.

대부분의 객체지향 프로그래밍 언어는 클래스를 정의하고 그 클래스를 구성하는 멤버(프로퍼티와 메서드)에 대하여 public, privated, protected 같은 접근 제한자를 선언하여 공개 범위를 한정할 수 있습니다.

public으로 선언된 프로퍼티와 메서드는 클래스 외부에서 참조할 수 있지만 private으로 선언된 경우는 클래스 외부에서 참조할 수 없습니다.

자바스크립트는 public, private, protected 같은 접근 제한자를 제공하지 않습니다. 따라서 자바스크립트 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 외부에 공개되어 있습니다. 즉, 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 public 합니다.

function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age; // private
  
  // 인스턴스 메서드
  this.sayHi = function () {
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
}

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim. I am 30.
console.log(me.name); // Kim
console.log(me._age); // undefined

위의 코드에서 name 프로퍼티는 외부로 공개되어 있어서 자유롭게 참조하거나 변경할 수 있습니다. 즉, name 프로퍼티는 public 합니다. 하지만 _age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수이므로 Person 생성자 함수 외부에서 참조하거나 변경할 수 없습니다. 즉, _age 변수는 private 합니다.

sayHi 메서드는 인스턴스 메서드이므로 Person 객체가 생성될 때마다 중복 생성됩니다. 중복 생성을 방지하기 위해 sayHi 메서드를 프로토타입 메서드로 변경하면 코드는 다음과 같습니다.

function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age; // private
 }
 
 // 프로토타입 메서드
 Person.prototype.sayHi = function () {
   // Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없다.
   console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}`);
   
 };
 
const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Uncaught ReferenceError: _age is not defined at Person.sayHi
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

하지만 이 경우 Person.prototype.sayHi 메서드 내에서 Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없는 문제가 발생됩니다. 따라 아래의 코드와 같이 즉시 실행 함수를 사용하여 Person 생성자 함수와 Person.prototype.sayHi 메서드를 하나의 함수내에 모아야 합니다.

const Person = (function(){
  let _age = 0; // private
  
  // 생성자 함수
  function Person(name, age){
    this.name = name; // public
    _age = age;
  }
  
  // 프로토타입 메서드
  Person.prototype.sayHi = function(){
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
  
  // 생성자 함수를 반환
  return Person;  
}());

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim. I am 30.
console.log(you.name); // Kim
console.log(you._age); // undefined

이를 실행하면 즉시 실행 함수가 반환하는 Person 생성자 함수와 Person 생성자 함수의 인스턴스가 상속받아 호출할 Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 종료된 이후 호출됩니다. 하지만 Person 생성자 함수와 sayHi 메서드는 이미 종료되어 소멸한 즉시 실행 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 있는 클로저 입니다.

그치만 이 역시도 Person 생성자 함수가 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 다음과 같이 변수의 상태가 유지되지 않는 문제가 발생됩니다.

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee, I am 20.

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim, I am 30.

// _age 변수 값이 변경된다!
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee, I am 30.

이처럼 자바스크립트는 정보 은닉을 흉내낼 수는 있지만 완전하게 지원하지 않습니다.

자주 발생하는 실수

아래는 클로저를 사용할 때 자주 발생할 수 있는 실수를 보여주는 코드입니다.

var funcs = [];

for (var i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; }; // ⓐ
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]()); // ⓑ
}

ⓐ 첫 번째 for 문의 코드 블록 내에서 함수가 func 배열의 요소로 추가됩니다.

ⓑ 두 번째 for문의 코드 블록 내에서 funcs 배열의 요소로 추가된 함수를 순차적으로 호출합니다. 이때 func 배열의 요소로 추가된 3개의 함수가 0,1,2 를 반환할 것으로 예상하지만 결과는 모두 3을 반환합니다.

이는 for 문의 변수 선언문에서 var 키워드로 선언한 i 변수는 블록 레벨 스코프가 아닌 함수 레벨 스코프를 갖기 때문에 전역 변수입니다. 전역 변수는 0, 1, 2 가 순차적으로 할당됩니다. 따라서 funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 전역 변수 i를 참조하여 i의 값 3이 출력됩니다.

따라 클로저를 사용해 원하는 형태로 바르게 동작하는 코드를 만들면 이는 아래와 같습니다.

var funcs = [];

for (var i = 0; i < 3; i++){
  funcs[i] = (function (id) { // ⓐ
    return function () {
      return id;
    };
  }(i));
}

for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]());
}

ⓐ 에서 즉시 실행 함수는 전역 변수 i 에 현재 할당되어 있는 값을 인수로 전달받아 매개변수 id에 할당한 후 중첩 함수를 반환하고 종료됩니다. 즉시 실행 함수가 반환한 함수는 funcs 배열에 순차적으로 저장됩니다.

이때 즉시 실행 함수의 매개 변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수의 상위 스코프에 존재합니다. 즉시 실행 함수가 반환환 중첩 함수는 자신의 상위 스코프를 기억하는 클로저이고, 매개변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수에 묶여있는 자유 변수가 되어 그 값이 유지됩니다.

아래와 같이 let 키워드를 통해 더 깔끔하게 코드를 만들수도 있습니다.

const funcs = [];

for (let i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; };
}

for (let i = 0; i < funcs.length; i++) {
  console.log(funcs[i]()); // 0 1 2
}

이는 let이나 const 키워드를 사용하는 반복문은 코드 블록을 반복 실행할 때마다 새로운 렉시컬 환경을 생성하여 저장하기에 가능합니다. 단, 이는 반복문의 코드 블록 내부에서 정의할 때만 의미가 있는데, 반복문의 코드 블록 내부에 함수 정의가 없는 반복문이 생성하는 새로운 렉시컬 환경은 반복 직후, 아무도 참조하지 않기 때문에 가비지 컬렉션의 대상이 되기 때문입니다.

또 다른 방법으로는 고차 함수를 사용하는 방법이 있습니다. 이 방법은 변수와 반복문의 사용을 억제할 수 있기 때문에 오류를 줄이고 가독성을 좋게 만듭니다.

// 요소가 3개인 배열을 생성하고 배열의 인덱스를 반환하는 함수를 요소로 추가한다.
// 배열의 요소로 추가된 함수들은 모두 클로저다.
const funcs = Array.from(new Array(3), (_, i) => () => i); // (3) [ƒ, ƒ, ƒ]

// 배열의 요소로 추가된 함수 들을 순차적으로 호출한다.
funcs.forEach(f => console.log(f())); // 0 1 2

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