스코프와 클로저

MyeonghoonNam·2021년 8월 2일
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스코프

스코프는 참조 대상 식별자(identifier, 변수, 함수의 이름과 같이 어떤 대상을 다른 대상과 구분하여 식별할 수 있는 유일한 이름)를 찾아내기 위한 규칙이다. 자바스크립트는 이 규칙대로 식별자를 찾는다.

var x = 'global';

function foo() {
  var x = 'function scope';
  console.log(x);
}

foo(); // scope
console.log(x); // global

프로그래밍은 변수를 선언하고 값을 할당하며 변수를 참조하는 기본적인 기능을 제공하며 이것으로 프로그램의 상태를 관리할 수 있다. 변수는 전역 또는 코드 블록(if, for, while, try/catch 등)이나 함수 내에 선언하며 코드 블록이나 함수는 중첩될 수 있다. 식별자는 자신이 어디에서 선언됐는지에 의해 자신이 유효한(다른 코드가 자신을 참조할 수 있는) 범위를 갖는다.

위 예제에서 전역에 선언된 변수 x는 어디에든 참조할 수 있다. 하지만 함수 foo 내에서 선언된 변수 x는 함수 foo 내부에서만 참조할 수 있고 함수 외부에서는 참조할 수 없다. 이러한 규칙을 스코프라고 한다.

만약 스코프가 없다면 어떻게 될까? 스코프가 없다면 같은 식별자 이름은 충돌을 일으키므로 프로그램 전체에서 하나밖에 사용할 수 없다. 디렉터리가 없는 컴퓨터를 생각해보자. 디렉터리가 없다면 같은 이름을 갖는 파일을 하나밖에 만들 수 없다. 스코프도 이와 같이 식별자 이름의 충돌을 방지한다.

스코프의 구분

자바스크립트에서 스코프를 구분해보면 다음과 같이 2가지로 나눌 수 있다.

  • 전역 스코프 (Global scope)

    코드 어디에서든지 참조할 수 있다.

  • 지역 스코프 (Local scope or Function-level scope)

    함수 코드 블록이 만든 스코프로 함수 자신과 하위 함수에서만 참조할 수 있다.

변수는 선언 위치(전역 또는 지역)에 의해 스코프를 가지게 된다. 즉, 전역에서 선언된 변수는 전역 스코프를 갖는 전역 변수이고, 지역(자바스크립트의 경우 함수 내부)에서 선언된 변수는 지역 스코프를 갖는 지역 변수가 된다.

전역 스코프를 갖는 전역 변수는 전역(코드 어디서든지)에서 참조할 수 있다. 지역(함수 내부)에서 선언된 지역 변수는 그 지역과 그 지역의 하부 지역에서만 참조할 수 있다.

자바스크립트 스코프의 특징

자바스크립트의 스코프는 타 언어와는 다른 특징을 가지고 있다.

대부분의 C-family language는 블록 레벨 스코프(block-level scope)를 따른다. 블록 레벨 스코프란 코드 블록({…})내에서 유효한 스코프를 의미한다. 여기서 “유효하다”라는 것은 “참조(접근)할 수 있다”라는 뜻이다.

하지만 자바스크립트는 함수 레벨 스코프(function-level scope)를 따른다. 함수 레벨 스코프란 함수 코드 블록 내에서 선언된 변수는 함수 코드 블록 내에서만 유효하고 함수 외부에서는 유효하지 않다(참조할 수 없다)는 것이다.

단, ECMAScript 6에서 도입된 let keyword를 사용하면 블록 레벨 스코프를 사용할 수 있다.

var x = 0;
{
  var x = 1;
  console.log(x); // 1
}
console.log(x);   // 1

let y = 0;
{
  let y = 1;
  console.log(y); // 1
}
console.log(y);   // 0

전역 스코프(Global scope)

전역에 변수를 선언하면 이 변수는 어디서든지 참조할 수 있는 전역 스코프를 갖는 전역 변수가 된다. var 키워드로 선언한 전역 변수는 전역 객체(Global Object) window의 프로퍼티이다.

var global = 'global';

function foo() {
  var local = 'local';
  console.log(global);
  console.log(local);
}
foo();

console.log(global);
console.log(local); // Uncaught ReferenceError: local is not defined

변수 global는 함수 영역 밖의 전역에서 선언되었다. 자바스크립트는 타 언어와는 달리 특별한 시작점(Entry point)이 없어서 위 코드와 같이 전역에 변수나 함수를 선언하기 쉽다.

C언어의 경우 main 함수가 시작점이 되기 때문에 대부분은 코드는 main 함수 내에 포함된다. C언어의 경우 전역 변수를 선언하기 위해서는 의도적으로 main 함수 밖에 변수를 선언하여야 한다.

하지만 자바스크립트는 다른 C-family language와는 달리 특별한 시작점이 없으며 코드가 나타나는 즉시 해석되고 실행된다. 따라서 전역에 변수를 선언하기 쉬우며 이것는 전역 변수를 남발하게 하는 문제를 야기시킨다.

전역 변수의 사용은 변수 이름이 중복될 수 있고, 의도치 않은 재할당에 의한 상태 변화로 코드를 예측하기 어렵게 만드므로 사용을 억제하여야 한다.

함수 레벨 스코프(Function-level scope)

var a = 10;     // 전역변수

(function () {
  var b = 20;   // 지역변수
})();

console.log(a); // 10

자바스크립트는 함수 레벨 스코프를 사용한다. 즉, 함수 내에서 선언된 매개변수와 변수는 함수 외부에서는 유효하지 않다. 따라서 변수 b는 지역 변수이다.

var x = 'global';

function foo() {
  var x = 'local';
  console.log(x);
}

foo();          // local
console.log(x); // global

전역변수 x와 지역변수 x가 중복 선언되었다. 전역 영역에서는 전역변수만이 참조 가능하고 함수 내 지역 영역에서는 전역과 지역 변수 모두 참조 가능하나 위 예제와 같이 변수명이 중복된 경우, 지역변수를 우선하여 참조한다.

다음은 함수 내에 존재하는 함수인 내부 함수의 경우를 살펴보자.

var x = 'global';

function foo() {
  var x = 'local';
  console.log(x); // local

  function bar() {
    // 내부함수
    console.log(x); // local
  }

  bar();
}
foo();
console.log(x); // global

내부함수는 자신을 포함하고 있는 외부함수의 변수에 접근할 수 있다. 이는 매우 유용하다. 클로저에서와 같이 내부함수가 더 오래 생존하는 경우, 타 언어와는 다른 움직임을 보인다.

함수 bar에서 참조하는 변수 x는 함수 foo에서 선언된 지역변수이다. 이는 실행 컨텍스트의 스코프 체인에 의해 참조 순위에서 전역변수 x가 뒤로 밀렸기 때문이다.

var x = 10;

function foo() {
  x = 100;
  console.log(x); // 100
}

foo();
console.log(x); // 100

함수(지역) 영역에서 전역변수를 참조할 수 있으므로 전역변수의 값도 변경할 수 있다. 내부 함수의 경우, 전역변수는 물론 상위 함수에서 선언한 변수에 접근/변경이 가능하다.

중첩 스코프는 가장 인접한 지역을 우선하여 참조한다.

var foo = function ( ) {

  var a = 3, b = 5;

  var bar = function ( ) {
    var b = 7, c = 11;
// 이 시점에서 a는 3, b는 7, c는 11
    a += b + c;
// 이 시점에서 a는 21, b는 7, c는 11
  };
// 이 시점에서 a는 3, b는 5, c는 not defined
  bar( );
// 이 시점에서 a는 21, b는 5
};

렉시컬 스코프

var x = 1;

function foo() {
  var x = 10;
  bar();
}

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

foo(); // 1
bar(); // 1

위 예제의 실행 결과는 함수 bar의 상위 스코프가 무엇인지에 따라 결정된다. 두가지 패턴을 예측할 수 있는데 첫번째는 함수를 어디서 호출하였는지에 따라 상위 스코프를 결정하는 것이고 두번째는 함수를 어디서 선언하였는지에 따라 상위 스코프를 결정하는 것이다. 첫번째 방식으로 함수의 상위 스코프를 결정한다면 함수 bar의 상위 스코프는 함수 foo와 전역일 것이고, 두번째 방식으로 함수의 스코프를 결정한다면 함수 bar의 스코프는 전역일 것이다.

프로그래밍 언어는 이 두가지 방식 중 하나의 방식으로 함수의 상위 스코프를 결정한다. 첫번째 방식을 동적 스코프(Dynamic scope)라 하고, 두번째 방식을 렉시컬 스코프(Lexical scope) 또는 정적 스코프(Static scope)라 한다. 자바스크립트를 비롯한 대부분의 프로그래밍 언어는 렉시컬 스코프를 따른다.

렉시컬 스코프는 함수를 어디서 호출하는지가 아니라 어디에 선언하였는지에 따라 결정된다. 자바스크립트는 렉시컬 스코프를 따르므로 함수를 선언한 시점에 상위 스코프가 결정된다. 함수를 어디에서 호출하였는지는 스코프 결정에 아무런 의미를 주지 않는다. 위 예제의 함수 bar는 전역에 선언되었다. 따라서 함수 bar의 상위 스코프는 전역 스코프가 되는 것이다.

암묵적 전역

var x = 10; // 전역 변수

function foo () {
  // 선언하지 않은 식별자
  y = 20;
  console.log(x + y);
}

foo(); // 30

위 예제의 y는 선언하지 않은 식별자이다. 따라서 y = 20이 실행되면 참조 에러가 발생할 것처럼 보인다. 하지만 선언하지 않은 식별자 y는 마치 선언된 변수처럼 동작한다. 이는 선언하지 않은 식별자에 값을 할당하면 전역 객체의 프로퍼티가 되기 때문이다.

foo 함수가 호출되면 자바스크립트 엔진은 변수 y에 값을 할당하기 위해 먼저 스코프 체인을 통해 선언된 변수인지 확인한다. 이때 foo 함수의 스코프와 전역 스코프 어디에서도 변수 y의 선언을 찾을 수 없으므로 참조 에러가 발생해야 하지만 자바스크립트 엔진은 y = 20을 window.y = 20으로 해석하여 프로퍼티를 동적 생성한다. 결국 y는 전역 객체의 프로퍼티가 되어 마치 전역 변수처럼 동작한다. 이러한 현상을 암묵적 전역(implicit global)이라 한다.

하지만 y는 변수 선언없이 단지 전역 객체의 프로퍼티로 추가되었을 뿐이다. 따라서 y는 변수가 아니다. 따라서 변수가 아닌 y는 변수 호이스팅이 발생하지 않는다.

// 전역 변수 x는 호이스팅이 발생한다.
console.log(x); // undefined
// 전역 변수가 아니라 단지 전역 프로퍼티인 y는 호이스팅이 발생하지 않는다.
console.log(y); // ReferenceError: y is not defined

var x = 10; // 전역 변수

function foo () {
  // 선언하지 않은 변수
  y = 20;
  console.log(x + y);
}

foo(); // 30

또한 변수가 아니라 단지 프로퍼티인 y는 delete 연산자로 삭제할 수 있다. 전역 변수는 프로퍼티이지만 delete 연산자로 삭제할 수 없다.

var x = 10; // 전역 변수

function foo () {
  // 선언하지 않은 변수
  y = 20;
  console.log(x + y);
}

foo(); // 30

console.log(window.x); // 10
console.log(window.y); // 20

delete x; // 전역 변수는 삭제되지 않는다.
delete y; // 프로퍼티는 삭제된다.

console.log(window.x); // 10
console.log(window.y); // undefined

최소한의 전역변수 사용

전역변수 사용을 최소화하는 방법 중 하나는 애플리케이션에서 전역변수 사용을 위해 다음과 같이 전역변수 객체 하나를 만들어 사용하는 것이다. (더글라스 크락포드의 제안)

var MYAPP = {};

MYAPP.student = {
  name: 'Lee',
  gender: 'male'
};

console.log(MYAPP.student.name);

즉시실행함수를 이용한 전역변수 사용 억제

전역변수 사용을 억제하기 위해, 즉시 실행 함수(IIFE, Immediately-Invoked Function Expression)를 사용할 수 있다. 이 방법을 사용하면 전역변수를 만들지 않으므로 라이브러리 등에 자주 사용된다. 즉시 실행 함수는 즉시 실행되고 그 후 전역에서 바로 사라진다.

(function () {
  var MYAPP = {};

  MYAPP.student = {
    name: 'Lee',
    gender: 'male',
  };

  console.log(MYAPP.student.name); // Lee
})();

console.log(MYAPP.student.name); // ReferenceError

클로저

결론부터 말하자면 클로저(closure)는 함수가 선언된 환경의 스코프를 기억하여 함수가 스코프 밖에서 실행될 때에도 기억한 스코프에 접근할 수 있게 만드는 문법이다. 자세히 알아보자.


클로저의 개념

클로저(closure)는 자바스크립트에서 중요한 개념 중 하나로 자바스크립트에 관심을 가지고 있다면 한번쯤은 들어보았을 내용이다. 실행 컨텍스트에 대한 사전 지식이 있으면 이해하기 어렵지 않은 개념이다. 클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니라 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어(Functional Programming language: 얼랭(Erlnag), 스칼라(Scala), 하스켈(Haskell), 리스프(Lisp)…)에서 사용되는 중요한 특성이다.

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니므로 ECMAScript 명세에 클로저의 정의가 등장하지 않는다. 클로저에 대해 MDN은 아래와 같이 정의하고 있다.

“A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function was declared.”
클로저는 함수와 그 함수가 선언됐을 때의 렉시컬 환경(Lexical environment)과의 조합이다.

무슨 의미인지 잘 와닿지 않는다. 위 정의에서 중요한 키워드는 “함수가 선언됐을 때의 렉시컬 환경(Lexical environment)”이다.

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

outerFunc(); // 10

함수 outerFunc 내에서 내부함수 innerFunc가 선언되고 호출되었다. 이때 내부함수 innerFunc는 자신을 포함하고 있는 외부함수 outerFunc의 변수 x에 접근할 수 있다. 이는 함수 innerFunc가 함수 outerFunc의 내부에 선언되었기 때문이다.

함수 innerFunc가 함수 outerFunc의 내부에 선언된 내부함수이므로 함수 innerFunc는 자신이 속한 렉시컬 스코프(전역, 함수 outerFunc, 자신의 스코프)를 참조할 수 있다. 이것을 실행 컨텍스트의 관점에서 설명해보자.

내부함수 innerFunc가 호출되면 자신의 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 쌓이고 변수 객체(Variable Object)와 스코프 체인(Scope chain) 그리고 this에 바인딩할 객체가 결정된다. 이때 스코프 체인은 전역 스코프를 가리키는 전역 객체와 함수 outerFunc의 스코프를 가리키는 함수 outerFunc의 활성 객체(Activation object) 그리고 함수 자신의 스코프를 가리키는 활성 객체를 순차적으로 바인딩한다. 스코프 체인이 바인딩한 객체가 바로 렉시컬 스코프의 실체이다.

내부함수 innerFunc가 자신을 포함하고 있는 외부함수 outerFunc의 변수 x에 접근할 수 있는 것, 다시 말해 상위 스코프에 접근할 수 있는 것은 렉시컬 스코프의 레퍼런스를 차례대로 저장하고 있는 실행 컨텍스트의 스코프 체인을 자바스크립트 엔진이 검색하였기에 가능한 것이다. 좀더 자세히 설명하면 아래와 같다.

  1. innerFunc 함수 스코프(함수 자신의 스코프를 가리키는 활성 객체) 내에서 변수 x를 검색한다. 검색이 실패하였다.
  2. innerFunc 함수를 포함하는 외부 함수 outerFunc의 스코프(함수 outerFunc의 스코프를 가리키는 함수 outerFunc의 활성 객체)에서 변수 x를 검색한다. 검색이 성공하였다.

이번에는 내부함수 innerFunc를 함수 outerFunc 내에서 호출하는 것이 아니라 반환하도록 변경해 보자.

function outerFunc() {
  var x = 10;
  var innerFunc = function () { console.log(x); };
  return innerFunc;
}

/**
 *  함수 outerFunc를 호출하면 내부 함수 innerFunc가 반환된다.
 *  그리고 함수 outerFunc의 실행 컨텍스트는 소멸한다.
 */
var inner = outerFunc();
inner(); // 10

함수 outerFunc는 내부함수 innerFunc를 반환하고 생을 마감했다. 즉, 함수 outerFunc는 실행된 이후 콜스택(실행 컨텍스트 스택)에서 제거되었으므로 함수 outerFunc의 변수 x 또한 더이상 유효하지 않게 되어 변수 x에 접근할 수 있는 방법은 달리 없어 보인다. 그러나 위 코드의 실행 결과는 변수 x의 값인 10이다. 이미 life-cycle이 종료되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거된 함수 outerFunc의 지역변수 x가 다시 부활이라도 한 듯이 동작하고 있다. 뭔가 특별한 일이 일어나고 있는 것 같다.

이처럼 자신을 포함하고 있는 외부함수보다 내부함수가 더 오래 유지되는 경우, 외부 함수 밖에서 내부함수가 호출되더라도 외부함수의 지역 변수에 접근할 수 있는데 이러한 함수를 클로저(Closure)라고 부른다.

다시 MDN의 정의로 돌아가 보자.

“A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function was declared.”
클로저는 함수와 그 함수가 선언됐을 때의 렉시컬 환경(Lexical environment)과의 조합이다.

위 정의에서 말하는 “함수”란 반환된 내부함수를 의미하고 “그 함수가 선언될 때의 렉시컬 환경(Lexical environment)”이란 내부 함수가 선언됐을 때의 스코프를 의미한다. 즉, 클로저는 반환된 내부함수가 자신이 선언됐을 때의 환경(Lexical environment)인 스코프를 기억하여 자신이 선언됐을 때의 환경(스코프) 밖에서 호출되어도 그 환경(스코프)에 접근할 수 있는 함수를 말한다. 이를 조금 더 간단히 말하면 클로저는 자신이 생성될 때의 환경(Lexical environment)을 기억하는 함수다라고 말할 수 있겠다.

클로저에 의해 참조되는 외부함수의 변수 즉 outerFunc 함수의 변수 x를 자유변수(Free variable)라고 부른다. 클로저라는 이름은 자유변수에 함수가 닫혀있다(closed)라는 의미로 의역하면 자유변수에 엮여있는 함수라는 뜻이다.

실행 컨텍스트의 관점에 설명하면, 내부함수가 유효한 상태에서 외부함수가 종료하여 외부함수의 실행 컨텍스트가 반환되어도, 외부함수 실행 컨텍스트 내의 활성 객체(Activation object)(변수, 함수 선언 등의 정보를 가지고 있다)는 내부함수에 의해 참조되는 한 유효하여 내부함수가 스코프 체인을 통해 참조할 수 있는 것을 의미한다.

즉, 외부함수가 이미 반환되었어도 외부함수 내의 변수는 이를 필요로 하는 내부함수가 하나 이상 존재하는 경우 계속 유지된다. 이때 내부함수가 외부함수에 있는 변수의 복사본이 아니라 실제 변수에 접근한다는 것에 주의하여야 한다.

이러한 동작 방식을 스코프 지속성이라고 부른다.

  • 스코프가 지속되는 것은 다른 언어들과는 다른 javascript만의 강점이다.
  • 자바스크립트에서 스코프 지속성이 필요한 이유는, 새로운 스코프가 생성된 후 스코프 체인을 참조하는 함수를 변수에 넣을 수도 있고, 다른 함수의 인자로 넘겨줄 수도 있으며, 함수의 반환값으로 활용할 수도 있기 때문이다.
  • 즉, 지금 함수가 선언된 곳이 아니라 다른 곳에서 함수가 호출될 수도 있어 해당 함수가 현재 참조하는 스코프를 지속할 필요가 있는 것이다.

실행 컨텍스트의 활성 객체(Activation object)와 클로저를 그림으로 표현하면 아래와 같다.

closure

클로저의 활용

클로저는 자신이 생성될 때의 환경(Lexical environment)을 기억해야 하므로 메모리 차원에서 손해를 볼 수 있다. 하지만 클로저는 자바스크립트의 강력한 기능으로 이를 적극적으로 사용해야 한다. 클로저가 유용하게 사용되는 상황에 대해 살펴보자.

상태 유지

function makeGreeting(name) {
  const greeting = 'Hello, '; // 지역 스코프기에 함수가 종료되면 메모리에서 사라진다.
  						      								

  return () => {
    console.log(greeting + name);
  };
}

const world = makeGreeting('World!'); // greeting에 접근 가능
const hoon = makeGreeting('Hoon'); // greeting에 접근 가능

world();
hoon();

정보의 은닉

  • 클로저를 이용하면 내부 변수와 함수를 숨기는 은닉화가 가능하다.
function counter() {
  let privateCounter = 0;

  function changeBy(val) {
    privateCounter += val;
  }

  return {
    increment: function () {
      changeBy(1);
    },
    decrement: function () {
      changeBy(-1);
    },
    value: function () {
      return privateCounter;
    },
  };
}

const count = counter();

console.log(count.value()); // 0
count.increment();
count.increment();
console.log(count.value()); // 2
count.decrement();
console.log(count.value()); // 1

자주 발생하는 실수

아래의 예제는 클로저를 사용할 때 자주 발생할 수 있는 실수에 관련한 예제다.

var arr = [];

for (var i = 0; i < 5; i++) {
  arr[i] = function () {
    return i;
  };
}

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

배열 arr에 5개의 함수가 할당되고 각각의 함수는 순차적으로 0, 1, 2, 3, 4를 반환할 것으로 기대하겠지만 결과는 그렇지않다. for 문에서 사용한 변수 i는 전역 변수이기 때문이다. 이러한 문제를 클로저를 사용해 바르게 동작하는 코드로 만들어보자.

var arr = [];

for (var i = 0; i < 5; i++){
  arr[i] = (function (id) { // ②
    return function () {
      return id; // ③
    };
  }(i)); // ①
}

for (var j = 0; j < arr.length; j++) {
  console.log(arr[j]());
}
  1. 배열 arr에는 즉시실행함수에 의해 함수가 반환된다.
  2. 이때 즉시실행함수는 i를 인자로 전달받고 매개변수 id에 할당한 후 내부 함수를 반환하고 life-cycle이 종료된다. 매개변수 id는 자유변수가 된다.
  3. 배열 arr에 할당된 함수는 id를 반환한다. 이때 id는 상위 스코프의 자유변수이므로 그 값이 유지된다.

위 예제는 자바스크립트의 함수 레벨 스코프 특성으로 인해 for 루프의 초기문에서 사용된 변수의 스코프가 전역이 되기 때문에 발생하는 현상이다. 블록스코프의 let 키워드를 사용하면 이와 같은 문제는 말끔히 해결된다.

const arr = [];

for (let i = 0; i < 5; i++) {
  arr[i] = function () {
    return i;
  };
}

for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
  console.log(arr[i]());
}

또는 함수형 프로그래밍 기법인 고차 함수를 사용하는 방법이 있다. 이 방법은 변수와 반복문의 사용을 억제할 수 있기 때문에 에플리케이션의 오류를 줄이고 가독성을 좋게 만든다.

const arr = new Array(5).fill();

arr.forEach((v, i, array) => array[i] = () => i);

arr.forEach(f => console.log(f()));

참고자료

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