[모던 자바스크립트 Deep Dive] 38장 브라우저의 렌더링 과정

jini.choi·2023년 11월 30일

모던 자바스크립트 Deep Dive

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브라우저가 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 텍스트 문서를 어떻게 파싱(해석)하여 브라우저에 렌더링 하는지 살펴보자.
파싱
- 파싱(구문 분석)은 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해(어휘 분석)하고,
- 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리를 생성하는 일련의 과정을 말한다.
- 일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간언어인 바이트코드를 생성하고 실행한다.

토큰
토큰이란 문법적인 의미를 가지며, 문법적으로 더는 나눌 수 없는 코드의 기본 요소를 의미
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바이트 코드
바이트 코드는 특정한 하드웨어가 아니라 가상 머신에서 실행하도록 만든 바이너리 코드를 의미한다.

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

브라우저의 렌더링 과정

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 AST를 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.

38.1 요청과 응답

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답받아 브라우저에 시각적으로 렌더링 하는 것이다.
즉, 렌더링에 필요한 리소스는 모두 서버에 존재하므로 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버가 응답한 리소스를 파싱하여 렌더링하는 것이다.
서버에 요청을 전송하기위해 브라우저는 주소창을 제공한다.
브라우저의 주소창에 URL를 입력하고 엔터키를 누르면
URL의 호스트 이름리 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고
이 IP주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.

일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답하도록 기본 설정되어있다.
즉 https://poiemaweb.com은 https://poiemaweb.com/index.html과 같은 요청이다.
다른 정적 파일을 서버에 요청하려면 정적 파일의 경로(서버의 루트 폴더 기준)와 파일 이름을 URL 호스트 뒤에 패스에 기술하여 서버에 요청한다.

서버에게 동적으로 서버에 정적/동적 데이터를 요청할 수도 있다.(ajax(43장), REST API(44장))

38.2 HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP는 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)이다.

HTTP/1.1 (1999년 발표)

기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리한다.
즉 리소스 요청이 개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전속된다.
요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.

HTTP/2.0 (2015년 발표)

커넥션당 여러 개의 요청과 응답, 즉 다중 요청/응답이 가능하다.
따라서 여러 리소스의 동시 전송이 가능하므로 HTTP/1.1에 비래 페이지 로드 속도가 약 50% 빠르다고 알려져 있다.

38.3 HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저의 요청에 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다.
HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 렌더링이 가능하다.

<!DOCTYPE html>
<html lang="kr">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <link rel="stylesheet" href="style.css" />
    <title>Title</title>
  </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>

브라우저의 렌더링 엔진은 아래와 같은 과정을 통해 응답받은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다.

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.
브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받는다.
그리고 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식(UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환된다.
문자열로 변환된 HTML문서를 읽어들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소단위인 토큰들로 분해한다.
각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다.
토큰의 내용에 따라 문서노드, 요소노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트노드가 생성된다. 노드는 이후에 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다.
이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM 이라고 부른다.

즉, DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.(39장)

38.4 CSS파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 CSS 로드를 하는 link 태그나 style태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여
로드한 CSS파일이나 style 태그 내의 CSS 파싱과정(바이트->문자->토큰->노드->CSSOM)을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성한다.
이후 CSS파싱이 완료되면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

38.5 렌더 트리 생성

DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.
렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조다. 따라서 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드(예:meta, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(예: display:none)되는 노드들은 포함하지 않는다.
다시 말해 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.
이후 완성된 렌더트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.

브라우저의 렌더링과정은 다음과 같은 경우 반복해서 실행된다.
- 자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
- 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
- HTML 요소의 레이아웃(위치,크기)에 변경을 발생시키는 width,heigth,margin,padding 등의 스타일 변경
레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 비용이 많이 드는, 즉 성능이 악영향을 주는 작업이다.
따라서 가급적 리렌터링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.

38.6 자바스크립트 파싱과 실행

자바스크립트 코드에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.(39장)
자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘긴다.
이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML 파싱을 시작하여 DOM 생성을 재개한다.
자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다.
자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행하는 역할을 한다.
렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하기 시작한다.
HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하듯이 자바스크립트 엔진은 자바스크립트를 해석하는 AST(추상적 구문 트리)를 생성한다.
그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트 코드를 생성하여 실행한다.

토크나이징

단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.

파싱

토큰들의 집합을 구분 분석하여 AST(추상적 구문 트리)를 생성한다.

바이트코드 생성과 실행

파싱의 결과물로서 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에의해 실행된다.

38.7 리플로우와 리페인트

만약 자바스크립트 코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용되는 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, 리페인트라한다.
리플로우는
레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며,
노드 추가/삭제, 요소의 크기/ 위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우 실행된다.
리페인트는
재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.
레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.

38.8 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 중단

자바스크립트 코드에서 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API를 사용할 경우 DOM이나 CSSOM이 이미 생성되어 있어야한다.
생성이 완료되지 않은 상태라면 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 회피하기 위해 body 요소의 가장 아래에 자바스크립트를 위치시키는 것은 좋은 아이디어다. 그 이유는 다음과 같다.
- DOM이 완성하지 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.

38.9 script 태그의 async/defer 어트리뷰트

자바스크립트 파싱에 의한 DOM 생성이 중단되는 문제를 근본적으로 해결하기 위해 HTML5부터 추가되었다.
async와 defer 어트리뷰트는 다음과 같이 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다.
즉, src 어트리뷰트가 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.

async 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기 적으로 진행된다.
단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며, 이때 HTML 파싱이 중단된다.

여러개의 script 태그에 async 어트리뷰트를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 먼저 실행되므로 순서가 보장되지 않는다.
따라서 순서 보장이 필요한 script 태그에는 async 어트리뷰트를 지정하지 않아야한다.
IE10 이상에서 지원된다.

defer 어트리뷰트

HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기 적으로 진행된다.
단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료된 직후, 즉 DOM 생성이 완료된 직후(이때 DOMContentLoaded 이벤트가 발생한다.)

DOMContentLoaded 이벤트ㅤ
DOM 트리가 다 만들어진 후에 돔에 접근이 가능하기때문에,
돔이 생성되기전 돔을 조작하는 자바스크립트 코드가 실행되어 원하지 않는 결과를 내는것을 막을 수 있다.
따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되어야 할 자바스크립트에 유용하다.
IE10 이상에서 지원된다.이전 버전은 지원은 되나 정상 동작되지 않을 수 있다.