URL에 구글을 입력하면 어떤 일이 발생이 되는가?
프로젝트 및 포트폴리오를 만들며 서버의 부하를 줄이기 위한 고민을 자연스레 하게 되면서 실제로 내부에서는 어떤 일들이 일어나고 있는 걸까 라는 궁금증도 자아내게 되었다.
그래서 이번 포스트에서는 웹 브라우저의 동작원리에 대해서 알아보고자 한다.
💡 너무나도 잘 정리해주신 블로거님께 진심으로 감사를 드린다.
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우리가 이야기할 브라우저들
오늘날 데스크톱에서 사용되는 주요 브라우저는 다음과 같다. Chrome, Internet Explorer, Firefox, Safari 및 Opera. 모바일에서 주요 브라우저는 안드로이드 브라우저, 아이폰, 오페라 미니, 오페라 모바일, UC 브라우저, 노키아 S40/S60 브라우저, 크롬이며 오페라 브라우저를 제외한 모든 브라우저는 웹킷을 기반으로 한다. 오픈 소스 브라우저 파이어폭스와 크롬, 사파리(일부 오픈 소스)의 예를 들어 보겠습니다. StatCounter 통계(2013년 6월 기준)에 따르면 크롬, 파이어폭스, 사파리는 전 세계 데스크톱 브라우저 사용량의 약 71%를 차지한다. 모바일에서 안드로이드 브라우저, 아이폰, 크롬은 사용량의 약 54%를 차지한다.
브라우저의 주요 기능은 선택한 웹 리소스를 서버에 요청하여 브라우저 창에 표시하는 것이다. 리소스는 일반적으로 HTML 문서이지만 PDF, 이미지 또는 다른 유형의 내용일 수도 있다. 리소스의 위치는 URI(Uniform Resource Identifier)를 사용하여 사용자가 지정한다.
브라우저의 주요 기능은 사용자가 자원을 서버에 요청하고 요청한 자원을 브라우저에 표시하는 것이다.
즉 웹 브라우저에 URL을 입력하면 웹 서버라 불리는 프로그램이 웹 브라우저에 웹 페이지를 제공한다.
웹 브라우저가 웹서버에 웹 페이지를 달라고 하는것 : 요청(request)
요청한 웹 페이지를 웹 브라우저에 제공하는 것 : 응답(response)
보통 웹 브라우저와 웹 서버는 다른 컴퓨터에 위치한다. 웹 서버가 다른 컴퓨터에서 실행되고 있기 때문에, 웹 브라우저가 웹 서버에 연결하려면, 웹 서버가 실행중인 컴퓨터의 주소를 알아야 하는데, 이 주소를 IP 주소라 한다.
각 컴퓨터는 IP주소를 가지고 있다. 그런데 IP주소는 192.168.0.1 과 같은 숫자들로 구성되어 있어서 외우기 쉽지 않다. 이런 이유로 IP 주소 대신에 "velog.io/dmchoi"과 같이 사람이 기억하기 좋은 도메인 이름을 사용한다.
웹 브라우저와 서버는 IP 주소를 이용하여 연결하기 때문에 도메인 이름을 IP 주소로 변환할 필요가 있는데, 이 때 사용하는 것이 바로 DNS(Domain Name Server)이다. 웹 브라우저에서 URL을 입력하면, 웹 브라우저는 도메인 이름에 해당하는 IP주소를 DNS에 요청하고, DNS는 IP주소를 응답으로 제공한다.
DNS로부터 IP주소를 받으면, 웹 브라우저는 위 과정처럼 IP주소를 이용해서 웹 서버에 연결한 뒤 URL에 해당하는 웹 페이지를 요청하고, 웹 페이지를 응답받게 된다.
일반적으로 네트워크 프로그램에서 요청하는 쪽을 클라이언트(Client)라고 부르고, 요청을 받아 알맞은 기능이나 데이터를 제공하는 쪽을 서버(Server)라고 부른다.
웹 브라우저의 주요 기능
브라우저의 주요 기능은 사용자가 선택한 자원을 서버에 요청하고 브라우저에 표시하는 것이다. 브라우저의 사용자 인터페이스는 다음과 같은 요소들이 일반적이다.
- URI를 입력할 수 있는 주소 표시 줄
- 이전 버튼과 다음 버튼
- 북마크
- 새로 고침 버튼과 현재 문서의 로드를 중단할 수 있는 정지 버튼
- 홈 버튼
각 구성 요소는 다음과 같은 역할을 하고 있다. 물론 구조는 브라우저마다 조금씩 다를 수 있다.
- 사용자 인터페이스 : 주소 표시줄, 이전/다음 버튼, 북마크 등 페이지 뷰 이외의 다른 부분
- 브라우저 엔진: 사용자 인터페이스와 렌더링 엔진 사이 동작을 제어
- 렌더링 엔진: HTML, CSS를 파싱해 화면에 요청한 컨텐츠를 표시
- 통 신: HTTP요청과 같은 네트워크 호출에 사용됨
- JS 엔진: 자바스크립트 코드를 해석하고 실행
- UI 백엔드: 기본적인 위젯(콤보 박스 등)을 그림
- 자료 저장소: 자료를 저장하는 계층으로 쿠키 등을 저장하는 웹 데이터베이스
렌더링 엔진
렌더링 엔진은 위에서 설명한 것처럼 요청받은 내용을 브라우저 화면에 표시해주는 역할을 한다. 브라우저마다 사용하는 렌더링 엔진이 각각 다르기 때문에, 모든 브라우저가 동일한 소스를 화면에 동일하게 그려주지 않고 엔진마다 읽을 수 있는 코드의 버전도 다르기 때문에 크로스 브라우징 이슈가 발생하곤 한다.
파이어폭스는 게코(Gecko), 사파리는 웹킷(Webkit), 크롬의 경우 웹킷을 사용하다가 웹킷을 Fork하여 블링크 엔진을 자체적으로 구현하여 사용한다. 각각의 렌더링 엔진들은 웹 표준에 따라서 개발자들이 작성한 문서를 브라우저에 보여주지만, 개발 진척도나 별도 규칙에 따라 지원하는 표준이 다르거나 렌더링 알고리즘과 방식에 차이가 있을 수 있다.
렌더링 엔진 동작 과정
다음은 렌더링 엔진의 기본적인 동작 과정이다.
그러면 이 과정에 대해 웹킷 엔진을 기준으로 좀 더 자세하게 알아보자!
DOM(Document Object Model), CSSOM(CSS Object Model) 생성 (Parsing)
- HTML을 파싱하여 DOM 노드를 만든다. 이 DOM 노드들을 병합하여 DOM 트리를 만든다.
- CSS를 파싱하여, CSSOM(CSS Object Model) 트리를 만들게 된다.
파싱 (Parsing : 구문분석) 은 하나의 프로그램을 런타임환경 (예를 들면, 브라우저 내 자바스크립트 엔진)이 실제로 행할 수 있는 내부 포맷으로 분석하고 변환하는 것을 의미합니다.
즉, 파싱은 문서의 내용을 토큰(token)으로 분석하고, 문법적 의미와 구조를 반영한 파스트리(parse tree)를 생성하는 과정입니다.
브라우저는 렌더링 할 문서를 HTML과 CSS로 나눠서 읽게 된다. 이때 HTML과 CSS는 단순한 텍스트이므로 각각 연산과 관리가 가능하도록 HTML Parser와 CSS Parser를 사용해 관리가 가능한 Object Model로 만든다.
일련의 과정들이 점진적으로 진행된다는 것을 아는 것이 중요하다. 렌더링 엔진은 좀 더 나은 사용자 경험을 위해 가능하면 빠르게 내용을 표시하는데 모든 HTML을 파싱할 때까지 기다리지 않고 배치와 그리기 과정을 시작한다. 네트워크로부터 나머지 내용이 전송되기를 기다리는 동시에 받은 내용의 일부를 먼저 화면에 표시하는 것이다.
HTML 파싱과 DOM 생성 과정
- 서버는 브라우저로부터 요청받은 HTML 파일을 읽어들인 후 > 메모리에 저장하고 > 그 메모리에 저장된 바이트(101101000100…)을 응답한다.
- 브라우저는 응답받은 바이트 형태의 문서를 meta태그의 charset 어트리뷰트에 지정된 인코딩방식(UTF-8)에 따라 문자열로 반환한다.
- 문자열로 변환된 HTML문서를 이번에는 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰(token)으로 분해한다.
- 토큰들의 내용에 따라 객체로 변환하여 각 노드들을 생성한다. (문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드)
- HTML은 요소 간의 부자 관계인 중첩 관계를 갖는데, 이를 반영하여 모든 노드들을 트리 구조로 구성하여 DOM을 만든다.
CSS파싱과 CSSOM 생성 과정
렌더링 엔진은 HTML문서를 한줄 한줄 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성한다. 그러다 CSS를 로드하는 link태그 혹은 style태그를 만나면 DOM생성을 중지한 후 CSS파싱의 결과물인 CSSOM을 생성하는 과정을 진행한다.
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8"> // 여기까지 해석 후,
<link rel="stylesheet" href="style.css"> //link를 만나면 DOM생성을 중지하고 CSS파일을 서버에 요청한 후 응답받아 CSS파싱을 시작한다.
...CSS파싱 과정은 바이트 > 문자 > 토큰 > 노드 > CSSOM 생성 순으로 HTML의 파싱과정과 동일하다.
자바스크립트 파싱 과정
렌더링 엔진은 HTML 문서를 한 줄씩 순차적으로 파싱하다가 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
script 태그의 src에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 응답받으면 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에게 제어권을 넘긴다.
자바스크립트 파싱이 끝나면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘기고 DOM 생성을 이어나간다.
만약 생성되지 않은 DOM을 조작한다면 에러가 발생할 수 있다. 따라서 body 요소 아래에 자바스크립트를 위치 시키거나 DOM 생성이 완료된 시점에 자바스크립트가 실행되도록 한다.
- 자바스크립트 코드를 토크나이저가 어휘 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해하는데 이것을 토큰나이징이라 한다.
- 파서가 토큰들을 구문분석하여 AST(Abstract Syntax Tree : 추상 구문 트리)로 파싱한다.
- 바이트 코드 생성기가 AST를 바이트코드로 변환한다.
- 인터프리터에 의해 바이트코드를 실행한다.
렌더 트리 구축 (Attachment)
CSSOM 트리와 DOM 트리를 결합하여, 표시해야 할 순서로 내용을 그려낼 수 있도록 하기 위해 렌더 트리를 형성한다. 이 과정을 Attachment라고 한다.
(렌더 트리를 구축하는 과정 자체가 Attachment이구나!)
렌더 트리는 화면에 표시되는 각 노드의 위치를 계산하는 레이아웃에 사용되고 픽셀을 화면에 그리는 페인트 과정에도 사용된다
DOM과 CSSOM을 결합하여 렌더트리 생성
렌더 트리를 생성하려면 브라우저는 대략 3가지 작업을 수행한다.
- DOM 트리의 루트부터 노드 각각을 모두 탐색한다.
이때 화면에 표시되지 않는 일부 노드들(script, meta 태그 등..)은 렌더 트리에서 제외된다.
또한 CSS 속성 중display:none같이 화면에서 숨겨지는 속성도 렌더 트리에 반영되지 않는다. - 화면에 표시되는 각 노드에 대해 적절하게 일치하는 CSSOM 규칙을 찾아 적용한다.
- 화면에 표시되는 노드를 콘텐츠 및 계산된 스타일과 함께 렌더트리로 생성된다.
렌더 트리 배치 (Layout or Reflow)
렌더 트리가 생성되고, 기기의 뷰포트 내에서 렌더 트리의 노드가 정확한 위치와 크기를 계산한다. 이때 모든 상대적인 값이 픽셀값으로 변환된다. CSS에 상대적인 값인 %, rem, vh으로 할당된 값들은 절대적인 값인 px단위로 변환 된다. 이 과정을 배치(Layout) 또는 Reflow 라고 한다.
렌더 트리 그리기 (Paint)
렌더 트리의 각 노드를 화면의 실제 픽셀로 나타낼 때 Painting메서드가 호출된다. Painting 과정 후 브라우저 화면에 UI가 나타나게 된다.
그리기 순서
실제로 요소가 stacking contexts에 쌓이는 순서는 아래와 같다. 스택은 뒤에서 앞으로 그려지기 때문에 이 순서는 Painting에 영향을 미친다. 블록 렌더러가 쌓이는 순서는 다음과 같다.
- 배경 색
- 배경 이미지
- 테두리
- 자식
- 아웃라인
페인트 단계에서 메인 스레드는 페인트 기록(paint record)을 생성하기 위해 레이아웃 트리를 순회한다. 페인트 기록은 '배경 먼저, 다음은 텍스트, 그리고 직사각형'과 같이 페인팅 과정을 기록한 것이다.
동적 변경
브라우저는 변경에 대해 가능한 한 최소한의 동작으로 반응하려고 노력한다. 예를 들어 div 요소 한 개의 의 색깔이 바뀌면 해당 요소의 리페인팅만 발생한다.
요소의 위치가 바뀌면 요소와 자식 그리고 형제의 리페인팅과 재배치가 발생한다.
DOM 노드를 추가하면 노드의 리페인팅과 재 배치가 발생한다. html 요소의 글꼴 크기를 변경하는 것과 같은 큰 변경은 캐시를 무효화하고 트리 전체의 배치(Layout)와 리페인팅이 발생한다.
Reflow와 Repaint
렌더링 과정을 모두 마친 후 최종적으로 브라우저에 페이지가 그려진다. 하지만 특정 액션이나 이벤트에 따라 HTML요소의 크기나 위치 등의 레이아웃 수치가 변하면 해당 요소의 영향을 받는 자식 노드나 부모 노드들을 포함하여 Layout(Reflow)과정을 다시 수행하게 된다.
이럴경우 각 요소들의 크기와 위치를 다시 계산하게 되는데 이 과정을 Reflow, 그리고 Reflow 된 렌더 트리를 다시 화면에 그려주는 과정을 Repaint라고 한다.
- Repaint(Redraw)는 화면에 변화가 있을 때 화면을 그리는 과정.
- Reflow(Layout)는 뷰포트 내에서 렌더 트리의 노드의 정확한 위치와 크기를 계산하는 과정.
- Repaint가 발생하는 경우는 화면이 변경되는 모든 경우.
- Reflow가 발생하는 경우는 화면의 구조가 바뀌었을 경우.
Repaint
화면의 구조가 변경되었을 때에는 Reflow 과정을 거쳐 화면 구조를 다시 계산한 후 Repaint 과정을 통해 화면을 다시 그린다. 즉 화면의 구조가 변경되었을 때에는 Reflow와 Repaint 모두 발생한다.
화면의 구조가 변경되지 않는 화면 변화의 경우 Repaint만 발생한다. 예를 들면 opacity, background-color, visibility, outline 등의 스타일 변경 시에는 Repaint만 동작한다.
Reflow
위에서 말한 것처럼 렌더 트리와 각 요소들의 크기와 위치를 다시 계산해주는 과정을 Reflow라고 한다.
Reflow가 일어나는 대표적인 경우는 다음과 같다.
- DOM 노드의 추가, 제거
- DOM 노드의 위치 변경
- DOM 노드의 크기 변경(margin, padding, border, width, height 등..)
- CSS3 애니메이션과 트랜지션
- 폰트 변경, 텍스트 내용 변경
- 이미지 크기 변경
- offset, scrollTop, scrollLeft과 같은 계산된 스타일 정보 요청
- 페이지 초기 렌더링
- 윈도우 리사이징
이외에도 화면의 구조가 변경되었다면 Reflow가 발생한다고 이해하면 된다.
웹 브라우저의 통신과정부터 브라우저의 동작원리까지 알아보았다. 브라우저가 더 렌더링을 빠르고 효율적으로 할 수 있게 개발하기 위해서는 Reflow과정을 최소화 시키는 것이 좋다. Reflow가 발생하면 Repaint가 일어나기 때문에 렌더링 최적화에 좋지 않은 영향을 준다. 따라서 Reflow를 최소화 하는 고민이 필요하겠다.
리플로우(Reflow)를 발생시키는 속성
position / width / height / margin / padding / display / top / left / right / bottom /
box-sizing / border-color / text-align / border / border-width /
font-family / float / font-size / font-weight / line-height / vertical-align /
white-space / word-wrap / text-overflow / text-shadow ...리페인트(Repaint)를 발생시키는 속성
color / border-style / visibility / background / background-color /
background-image / background-position / background-repeat / background-size /
text-decoration / outline / outline-style / outline-color / outline-width /
border-radius / box-shadow ...리플로우와 리페인트를 발생시키지 않는 속성
opacity / transform / cursor / z-index ...이 글을 정독하며 내가 작성한 html, css, js가 내부에서 어떤 순서로 렌더링되어 화면에 표시가 되어지는지 이해하는데에 큰 도움이 되었다.
