[모던 자바스크립트 딥다이브]브라우저의 렌더링 과정

브라우저가 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 텍스트 문서를 어떻게 파싱(해석)하여 브라우저에 렌더링하는지 살펴보자.

파싱(parsing)

파싱은 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해하고, 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리를 생성하는 일련의 과정을 말한다.

렌더링(rendering)

렌더링은 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것을 말한다.

다음 그림은 브라우저의 렌더링 과정을 간략하게 표현한 것이다.

브라우저는 다음과 같은 과정을 거쳐 렌더링을 수행한다.
1. 브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
3. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다.이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
4. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

요청과 응답

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답받아 브라우저에 시각적으로 렌더링하는 것이다.

• 서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공한다.
• 브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고 이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.

예를 들어, 브라우저의 주소창에 https://poiemaweb.com 을 입력하고 엔터 키를 누르면 루트 요청이 poiemaweb.com 서버로 전송된다. 루트 요청에는 암묵적으로 index.html을 응답하도록 기본 설정되어 있다.

• 만약 index.html이 아닌 다른 정적 파일을 서버에 요청하려면 브라우저의 주소창에https://poiemaweb.com/assets/data/data.json 과 같이 요청할 정적 파일의 경로와 파일 이름을 URI의 호스트 뒤에 패스에 기술하여 서버에 요청한다.

• 반드시 브라우저의 주소창을 통해 서버에게 정적 파일만을 요청할 수 있는 것은 아니다. 자바스크립트를 통해 동적으로 서버에 정적/동적 데이터를 요청할 수도 있다.

• 요청과 응답은 개발자 도구의 Network 패널에서 확인할 수 있다.

HTML 파싱과 DOM 생성

• 브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자여롤 이루어진 순수한 텍스트다.

• 순수한 텍스트인 HTML 문서를 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야한다.

• 브라우저의 렌더링 엔진은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다.
  

1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트를 인터넷을 경유하여 응답한다.

2. 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식(예: UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환횐다.

3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.

4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.

5. HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다. HTML 요소 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 HTML 요소 간의 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부른다.

즉, DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.

CSS 파싱과 CSSOM 생성

• 렌더링 엔진은 한 줄씩 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성해 나간다. CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

• 그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 로드한 CSS파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 - 문자 - 토큰 - 노드 - CSSOM)을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성한다.

• 이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.
  
  CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성된다.

렌더 트리 생성

• 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 각각 DOM과 CSSOM를 생성한다. 그리고 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.

• 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(예: meta 태그, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(예:display: none)되는 노드들은 포함하지 않는다.

• 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.
  

이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃을 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.

다음과 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.

• 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
• 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
• HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는 width/height, margin, padding, border, display, position, top/right/bottom/left 등의 스타일 변경

레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 비용이 많이 드는, 즉 성능에 악영향을 주는 작업이다.

자바스크립트 파싱과 실행

• 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

• 자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다.

• 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하기 시작한다. 자바스크립트 엔진은 자바스크립트를 해석하여 AST(Abstract Syntax Tree(추상적 구문 트리))를 생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.
  

리플로우와 리페인트

자바스크립트 코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경된다. 이때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다. 이를 리플로우, 리페인트라 한다.

• 리플로우
  • 레이아웃 계산을 다시하는 것을 말하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.
• 리페인트
  • 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.

리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니다. 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.

자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

자바스크립트 엔진은 병렬적으로 파싱을 실행하지 않고 직력적으로 파싱을 수행한다.

• 이처럼 브라우저는 동기적으로, 즉 위에서 아래 방향으로 순차적으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고 실행한다.

• 이것은 script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹되어 DOM 생성이 지연될 수 있다는 것을 의미한다.

• body 가장 아래에 자바스크립트를 위치시키는 것은 좋은 아이디어다.

DOM이 완성되지 않은 상태에서 자바스크립트가 DOM을 조작하면 에러가 발생할 수 있다.
자바스크립트 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의 렌더링에 지장받는 일이 발생하지 않아 페이지 로딩 시간이 단축된다.

script 태그의 async/defer 어트리뷰트

HTML5부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.
src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다.

<script async src="extern.js"></script>
<script defer src="extern.js"></script>

• async 어트리뷰트
  • HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.
  • 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며, 이때 HTML 파싱이 중단된다.
  • 여러 개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다.
    
• defer 어트리뷰트
  - 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후에 진행된다.