모던 자바스크립트 Deep Dive : 38장 브라우저 렌더링 과정

EdLee·2022년 11월 24일

javascript

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38장 브라우저 렌더링 과정

기본 용어

파싱 : 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어들여 실행하기 위해 다음과 같은 동작을 하는 것 => 텍스트 문서의 문자열을 토른으로 분해(어휘분석)하고, 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리를 생성.
일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간 언어인 바이트 코드를 생성하고 실행한다

렌더링 : HTML, CSS, JS로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것

브라우저의 렌더링 과정
1. 브라우저는 HTML, CSS, JS, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응단된 HTML, CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
3. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. 이 때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
4. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

1. 요청과 응답

렌더링을 하려면 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답받아 파싱을 시작해야 한다.
이 때 브라우저의 주소창에 URL을 입력하게 된다

브라우저의 렌더링 엔진은 받은 HTML(index.html)을 파싱하는 도중에 외부 리소스를 로드하는 태그(CSS 파일을 로드하는 link 태크, 이미지 파일을 로드하는 img 태그, JS를 로드하는 script 태그 등)을 만나면 HTML의 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청한다.

2. HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP/1.1 : 기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리. 즉, 여러 개의 요청을 한번에 전송할 수 없고 응답 또한 마찬가지. 따라서 HTML 문서 내에 포함된 여러 개의 리소스 요청이 개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전송된다. 이러한 구조때문에 요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점.
HTTP/2.0 : 커넥션당 여러 개의 요청과 응답이 가능. 즉 다중 요청/응답이 가능하다. 따라서 2.0은 여러 리소스의 동시 전송이 가능하므로 1.1에 비해 페이지 로드 속도가 50% 정도 빠름.

3. HTML파싱과 DOM 생성

HTML 예시

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8">
    <link rel="stylesheet" href="style.css">
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
    <script src="app.js"></script>
  </body>
</html>

위 HTML의 파싱 결과인 DOM 예시

정리
1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답한다.
2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받는다. 그리고 선언된 인코딩 방식(예: UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환된다.
3. 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.
4. 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다. 노드는 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
5. HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다. 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부른다.

4. CSS 파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 DOM을 생성하던 중 CSS를 로드하는 link태그나 sytle태그를 만나면, DOM 생성을 일시 중단한다.
그리고 CSS를 파싱하여 CSSOM을 생성한다.
CSSOM 생성이 완료 된후, HTML의 파싱을 중단된 지점부터 재개하여 DOM을 생성한다.

5. 렌더 트리 생성

완성된 DOM과 CSSOM는 렌더 트리로 결합된다.
화면에 렌더링되지 않는 노드와 CSS에 의해 표시되지 않는 노드는 포함되지 않는다.
렌더트리는 레이아웃을 계산하고 픽셀 렌더링하는데에 사용된다.
렌더링 과정은 한 번만 실행되고 종료되는 것이 아니고, 다음과 같은 경우 반복해서 다시 실행될 수 있다.
1. 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
2. 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
3. HTML 요소의 레이아웃에 변경되는 width/height, margin, padding, border, display, position, top/right/bottom/left 등의 스타일 변경
이러한 리렌더링은 성능에 악영향을 주므로, 가급적 최소화시켜야 한다.

6. 자바스크립트 파싱과 실행

자바스크립트에서는 DOM을 조작할 수 있는 API를 통해 동적으로 DOM을 조작할 수 있다.
자바스크립트는 자바스크립트 엔진에 의해 다음과 같은 과정을 거쳐서 실행된다.

자바스크립트의 파싱과 실행
1. 토크나이징 : 단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다. (이 과정을 렉싱이라고 부르기도 한다)
2. 파싱 : 토큰들의 집합을 구문 분석하여 AST(추상적 구문 트리)를 생성한다.
3. 바이트코드 생성과 실행 : AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트 코드로 변환되고, 인터프리터에 의해 실행된다.(크롬의 V8 엔진은 자주 사용하는 코드는 터보팬이라는 컴파일러를 사용해 성능 최적화 한다.)

7. 리플로우와 리페인트

리플로우 : 레이아웃 계산을 다시 한다. 노드 추가/삭제, 요소 크기/위치 변경 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.
리페인트 : 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 한다. 레이아웃에 영향을 미치지 않는 단순 색상 변경 같은 경우, 리플로우 없이 리페인트만 수행된다. 하지만 리플로우가 일어나면 리페인트는 반드시 수행된다.

리플로우(Reflow)가 일어나는 대표적인 속성들 : position, width, height, margin, padding, border, border-width, font-size, font-weight, line-height, text-align, overflow
리페인트(Repaint)만 일어나는 대표적인 속성들 : background, color, text-decoration, border-style, border-radius

8. 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 병렬로 파싱되는 것이 아니고 코드를 위에서부터 아래로 순차적으로 파싱을 수행한다.

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8">
    <link rel="stylesheet" href="style.css"> // HTML 파싱 중단. CSS 파싱
    <script>
      /*
      DOM API인 document.getElementById는 DOM에서 id가 'apple'인 HTML 요소를
      취득한다. 아래 DOM API가 실행되는 시점에는 아직 id가 'apple'인 HTML 요소를 파싱하지
      않았기 때문에 DOM에는 id가 'apple'인 HTML 요소가 포함되어 있지 않다.
      따라서 아래 코드는 정상적으로 id가 'apple'인 HTML 요소를 취득하지 못한다.
      */
      const $apple = document.getElementById('apple');

      // id가 'apple'인 HTML 요소의 css color 프로퍼티 값을 변경한다.
      // 이때 DOM에는 id가 'apple'인 HTML 요소가 포함되어 있지 않기 때문에 에러가 발생한다.
      $apple.style.color = 'red'; // TypeError: Cannot read property 'style' of null
    </script>
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
  </body>
</html>

위와 같은 이유로 JS는 body 요소 가장 아래에 위치시키곤 한다.

정리

DOM이 완성되지 않은 상태에서 JS가 DOM을 조작하면 에러가 발생할 수 있다.

JS 로딩/파싱/실행 과정으로 인해 HTML 요소 렌더링에 지장받는 일이 발생하지 않으면 페이지 로딩 시간이 단축될 수 있다.

9. script 태그의 async/defer 어트리뷰트

js파싱에 의해 DOM 생성이 중단되는 문제를 해결하기 위해 HTML5부터 script태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가됐다.
async와 defer 어트리뷰트는 다음과 같이 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다.
즉, src어트리뷰트가 없는 인라인 자바스크립트에는 사용할 수 없다.

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

async와 defer 어트리뷰트를 사용하면 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 하지만 JS의 실행 시점에는 차이가 있다.

async 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.
단, 자바스크립트 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며,
이때 HTML 파싱이 중단된다.
여러 개의 script 태그에 async를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다.
따라서 순서 보장이 필요한 곳에서는 사용하면 안된다.