[JS] 모던 자바스크립트 Deep Dive 42장

* 모던 자바스크립트 Deep Dive을 토대로 공부한 것을 정리한 내용으로, 모든 인용문은 모던 자바스크립트 Deep Dive의 문구를 인용한 것입니다.

💡 42장. 비동기 프로그래밍

💫 동기 처리와 비동기 처리

함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨택스트가 생성된다. 이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트(a.k.a 콜 스택)에 푸시되고 함수 코드가 실행된다. 함수 코드의 실행이 종료되면 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스텍에서 팝되어 제거된다. 아래의 예제, 그림과 함께 살펴보자.

const foo = () => {};
const bar = () => {};

foo();
bar();

함수가 실행되려면 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시되어야 한다. 함수가 호출된 순서대로 순차적으로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시되기 때문이다.

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

실행 컨텍스트 스택의 최상위 요소인 "실행 중인 실행 컨텍스트"를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두 실행 대기 중인 태스크들이다. 이들은 실행 중인 실행 컨텍스트가 종료되고 팝 되어 스택에서 제거되면 실행되기 시작한다.

자바스크립트 엔진은 하나의 테스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드 방식으로 동작한다.

싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있기 때문에 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹(작업 중단)이 발생한다.

관련 예제를 통해 알아보자!

// sleep 함수는 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출
function sleep(func, delay) {
  // Date.now()는 현재 시간을 숫자(ms)로 반환
  const delayUntil = Date.now() + delay;

  // 현재 시간(Date.now())에 delay를 더한 delayUntil이 현재 시간보다 작으면 계속 반복
  while (Date.now() < delayUntil);
  // 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출
  func();
}

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

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

// sleep 함수는 3초 이상 실행
sleep(foo, 3 * 1000);
// bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 블로킹
bar();
// (3초 경과 후) foo 호출 -> bar 호출

위 예제의 sleep 함수는 3초 후에 foo 함수를 호출한다. 이때 bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상(foo 함수의 실행 시간 + 3초) 호출되지 못하고 블로킹(작업 중단)된다.

이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기처리라 한다.
동기 처리 방식은 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료될 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있다.

그렇다면 비동기 예제를 알아보자.

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

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

// 타이머 함수 setTimeout은 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수 foo를 호출
// 타이머 함수 setTimeout은 bar 함수를 블로킹 X
setTimeout(foo, 3 * 1000);
bar();
// bar 호출 -> (3초 경과 후) foo 호출

setTimeout 함수는 sleep 함수와 유사하게 동작하지만 setTimeout 함수 이후의 태스크를 블로킹하지 않고 바로 실행된다. 이처럼 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기 처리라고 한다.

비동기 처리는 블로킹이 발생하지 않는 장점이 있지만 태스크의 실행 순서가 보장되지 않는 단점이 있다.

위처럼 setTimeout이 비동기로 발생하는 이유는 setTimeout, setInterval, HTTP 요청, 이벤트 핸들러 등은 비동이 처리 방식으로 동작하며, 이벤트 루프와 태스크 큐와 관련있기 때문이다.

💫 이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트를 공부하다보면... 싱글스레드와 달리 브라우저에서 여러 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다. 예를 들면 HTML 요소가 애니메이션 효과를 통해 움직이는 동시에 이벤트를 처리하거니, HTTP 요청을 통해 서버로부터 데이터를 가져오면서 렌더링하는 경우가 있다.
-> 위와 같은 경우에 동시성을 지원하는 것이 이벤트 루프이며, 이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있다.

구글의 V8 자바스크립트 엔진을 비롯한 대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분된다.

• call stack : 소스코드(전역 코드나 함수 코드 등) 평가 과정에서 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택이 바로 콜 스택
• 힙 : 힙은 객체가 저장되어 있느 메모리 공간. 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.

이때 힙 메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리 공간의 크기를 결정해야 한다. 객체는 원시 값과 달리 크기가 정해져 있지 않아 할당해야 할 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정해야 한다. 따라서 힙은 구조화 되어 있지 않은 특징이 있다.

콜 스택과 힙으로 구성되어 있는 자바스크립트 엔진은 단순 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 작업을 순차적으로 실행할 뿐이다. 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당한다.

위 예제로 설명하면, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout의 콜백 함수의 평가와 실행은 자바스크립트 엔진이 담당하지만 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정과 콜백함수 등록은 브라우저 또는 노드가 담당. 이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공한다.

• 태스크 큐(task queue/ event queue/ callback queue) : setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역. 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로 태스크 큐도 존재.
• 이벤트 루프(event loop) : 이벤트 루프는 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기중인 함수(콜백 함수, 이벤트 핸들러등)가 있는지 반복해서 확인한다. 만약 콜 스택이 비어 있고 태스크 큐에 대기중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적으로(FIFO)태스크 큐에 대기중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. 이 때 콜스택으로 이동한 함수는 실행된다. 즉, 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다.

위 예제로 보면, 비동기 함수인 setTimeout의 콜백함수는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가 콜 스택이 비게 되면, 전역 코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료되면 비로소 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

채연 언니가 댓글에서 언급해 준 것처럼, 자바 스크립트는 싱글 스레드로 동작한다. 그러나 브라우저는 싱글 스레드로 동작하지 않기 때문에 우리는 자바스크립트가 여러가지 일을 동시에 수행하는 것처럼 느끼는 것이다. 만약 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작하면 비동기로 동작할 수 없기 때문에, 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드라는 결론을 이해할 수 있다.

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리뷰

몰랐던 부분과 더 공부해보고 싶은 부분

아마 전공 시간에 배웠겠지만..... 자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작한다고 하는데 멀티 스레드 방식으로 동작하는 언어들은 어떤 것들이 있는지 알아보고 싶다. 그래서!! 더 찾아본 결과 대표적인 싱글 스레드 언어는 자바스크립트이고, 멀티스레드 언어는 C++가 있다고 한다.

무려 구글에 멀티스레드 언어라고 검색했는데 상단에 자바스크립트가 싱글스레드를 선택한 이유...가 쭈르륵 뜰 정도로 자바스크립트가 싱글스레드이지만 멀티스레드처럼 동작할 수 있는 이유에 관심이 많은 사람이 무척 많은 것 같다.

그렇게 보다보니... 아니 당연히 한 번에 여러가지 일을 하면 개이득 아닌가? 라는 생각이 들었다. 사실 지금 궁금한 건 아니고 전공 공부할 때 든 의문이었는데 나처럼 궁금해할 것 같은 사람이 있을 것 같아서 추가한다.

🧐 멀티 스레드의 장점

• 응답성: 프로그램의 일부분(스레드 중 하나)이 중단되거나 긴 작업을 수행하더라도 프로그램의 수행이 계속 되어 사용자에 대한 응답성이 증가한다.
• 경제성: 프로세스 내 자원들과 메모리를 공유하기 때문에 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어든다.
• 멀티프로세서 활용: 다중 CPU 구조에서는 각각의 스레드가 다른 프로세서에서 병렬로 수행될 수 있으므로 병렬성이 증가한다.

🧐 멀티 스레드 단점

• context switching, 동기화 등의 이유 때문에 싱글 코어 멀티 스레딩은 스레드 생성 시간이 오히려 오버헤드로 작용해 단일 스레드보다 느리다.
• 공유하는 자원에 동시에 접근하는 경우, 프로세스와는 달리 스레드는 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
• 멀티 스레딩을 위해서는 운영체제의 지원이 필요하다.

그리고 자바스크립트가 이를 고려했을지는 모르겠지만... 멀티 스레드 모델은 프로그래밍 난이도가 높으며 스레드 수만큼 자원을 많이 사용한다고 한다.

공부하면서 든 생각

처음에 플러터 공부할 때... 비동기 프로그래밍이 너무너무 어려웠던 기억이 있어서 작성해봤다. 근데 책에 적힌 문장들이 너무너무 복잡해서.......... 아티클 쓰기 너무 힘ㄷ르엇다... 좀 깔끔하게 쓰고 싶었는데...

초반 부분에 스택... 팝... 푸시와 같은 개념이 나왔는데 오랜만에 자료구조 생각도 나고 백준 한창 열심히 풀 때도 생각이 나서 자스 스터디와는 관련 없지만 오랜만에 백준 스택 문제를 풀어봤다....... 그 유명한 오큰수와 문자열 폭발... 심심한 사람은 풀어보세요 🔥

오큰수
문자열 폭발