[번역] 비동기 자바스크립트 이해하기 (Understanding Asynchronous JavaScript)

들어가며

본 게시글은 Understanding Asynchronous JavaScript - Learn How JavaScript Works를 번역한 글입니다.

자바스크립트는 한 번에 하나의 일만 처리하는 것을 의미하는 싱글 스레드 프로그래밍 언어이다. 즉, 자바스크립트 엔진은 단일 스레드에서 한 번에 하나의 명령만 처리할 수 있다.

단일 스레드 언어는 동시성 문제에 대해 걱정할 필요가 없기 때문에 코드를 단순화하지만, 메인 스레드를 차단하지 않고 네트워크 작업을 하는 등 긴 처리작업을 수행할 수 없음을 의미한다.

API에서 데이터를 요청하는 것을 상상해 보자. 상황에 따라 서버가 요청을 처리하는 동안 메인 스레드를 차단하여 웹 페이지가 응답하지 않을 수 있다.

이럴때를 대비해서 비동기 자바스크립트를 사용하는 것이다. callback, Promise 및 async/await와 같은 비동기 자바스크립트를 사용하면 메인 스레드를 차단하지 않고 처리시간이 긴 네트워크 요청을 수행할 수 있다.

훌륭한 자바스크립트 개발자가 되기 위해 이 모든 개념을 배울 필요는 없지만, 아는 것은 매우 큰 도움이 된다 :)

자바스크립트와 동기 (Synchronous)

그렇다면 동기(synchronous) 자바스크립트는 어떻게 작동할까?

비동기 자바스크립트로 들어가기 전에, 먼저 동기 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진 내에서 어떻게 실행되는지 이해해 보자.

• 예시:

const second = () => {
  console.log('Hello there!');
}
const first = () => {
  console.log('Hi there!');
  second();
  console.log('The End');
}
first();

위의 코드가 자바스크립트 엔진 내부에서 어떻게 실행되는지 이해하기 위해서는 실행 컨텍스트(execution context)와 콜 스택(call stack, 실행 스택이라고도 함)의 개념을 이해해야 한다.

실행 컨텍스트 (execution context)

실행 컨텍스트는 자바스크립트 코드가 평가되고 실행되는 환경의 추상적인 개념이다. 자바스크립트에서 실행되는 모든 코드는 실행 컨텍스트 내에서 실행된다.

함수 코드는 함수 실행 컨텍스트 내에서 실행되고, 전역 코드는 전역 실행 컨텍스트 내에서 실행된다. 즉, 각 함수에는 고유한 실행 컨텍스트가 있다.

콜 스택 (call stack)

콜 스택은 코드 실행 중에 생성된 모든 실행 컨텍스트를 저장하는 데 사용되는 LIFO(Last in, First Out) 구조의 스택이다.

자바스크립트는 단일 스레드 프로그래밍 언어이기 때문에 단일 콜 스택을 가지고 있다. 콜 스택은 LIFO 구조를 가지며, 이는 항목들이 스택의 맨 위에서만 추가되거나 제거될 수 있음을 의미한다.

위의 코드 예시로 돌아가서 자바스크립트 엔진 내에서 코드가 어떻게 실행되는지 이해해 보자.

const second = () => {
  console.log('Hello there!');
}
const first = () => {
  console.log('Hi there!');
  second();
  console.log('The End');
}
first();

이미지 참고: Understanding Asynchronous JavaScript

그래서 어떻게 동작하는 걸까?

이 코드가 실행되면 전역 실행 컨텍스트가 생성되고(main()으로 표현됨) 콜 스택의 맨 위로 올라가게 된다. 이어서 first() 호출이 발생하면 또다시 콜 스택의 맨 위로 올라가게 된다.

그런 다음 console.log('Hi there!')를 스택의 맨 위로 밀어넣고, 완료되면 스택에서 제거가 된다 (pop). 그 다음에, second()를 호출하므로, second() 함수는 스택의 맨 위로 푸시된다.

console.log('Hello there!')는 스택의 맨 위로 올라가고, 완료되면 스택에서 제거된다 (pop). 동일하게, second() 함수가 완료되면 스택에서 제거된다.

console.log('The End')가 스택의 맨 위로 푸시되고 완료되면 다시 스택에서 제거된다. 그 후 first() 함수가 실행 완료 되면 스택에서 제거됩니다.

프로그램은 이 시점에서 실행을 완료하므로 전역 실행 컨텍스트(main())가 스택에서 제거된다.

자바스크립트와 비동기 (Asynchronous)

이제 콜 스택에 대한 기본적인 개념과 JavaScript의 동기 작동 방식이 어떻게 진행되는지 알게 되었으니, JavaScript의 비동기(Asynchronous)에 대해서 알아보자.

자바스크립트에서 비동기가 불가능한 이유? (Blocking)

Blocking 이란 무엇일까? 개념을 알아보기 위해 아래 예시를 살펴보자.
아래처럼 이미지 처리 또는 네트워크 요청을 동기식으로 수행한다고 가정해보자.

• 예시:

const processImage = (image) => {
  /**
  * doing some operations on image
  **/
  console.log('Image processed');
}
const networkRequest = (url) => {
  /**
  * requesting network resource
  **/
  return someData;
}
const greeting = () => {
  console.log('Hello World');
}
processImage(logo.jpg);
networkRequest('www.somerandomurl.com');
greeting();

이미지 처리 및 네트워크 요청을 수행하는 데에는 시간이 걸린다. 따라서, processImage() 함수가 호출되면 이미지 크기에 따라 시간이 많이 걸릴 수 있다.

processImage() 함수가 실행 완료되면 스택에서 제거된다. 그런 다음 networkRequest() 함수가 호출되고 스택에 추가된다. 동일하게, 해당 함수 실행을 완료하는 데도 시간이 걸릴 것이다.

마지막으로 networkRequest() 기능이 완료되면 greeting() 함수가 호출되는데,console.log 문만 포함되므로 greeting() 함수는 즉시 실행되어 반환된다.

따라서 processImage() 또는 networkRequest()와 같은 처리가 긴 함수는 실행이 완료될 때까지 기다려야 한다. 즉, 처리시간이 긴 함수들이 콜 스택이나 메인 스레드를 차단하고 있다는 것을 의미한다. 위의 코드가 실행되는 동안에는 다른 작업을 수행할 수 없으며, 이는 매우 불편하다.

그래서 해결방안은?

가장 간단한 해결책은 비동기 콜백(asynchronous callbacks)이다. 비동기 콜백을 사용하여 코드를 blocking 하지 않으며 실행할 수 있다.

• 예:

const networkRequest = () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('Async Code');
  }, 2000);
};
console.log('Hello World');
networkRequest();

위 예시에서 네트워크 요청을 시뮬레이션하기 위해 setTimeout Web API를 사용했다. setTimeout은 JavaScript 엔진의 일부가 아니라 Web API(브라우저에서) 혹은 C/C++ API(node.js에서)이다.

이 코드가 어떻게 실행되는지 이해하려면 이벤트 루프 및 콜백 큐(태스크 큐 또는 메시지 큐라고도 함)와 같은 몇 가지 개념을 더 이해해야 한다.

이미지 참고: Understanding Asynchronous JavaScript

이벤트 루프, 웹 API 및 메시지 큐/태스크 큐는 JavaScript 엔진의 일부가 아니라 브라우저의 JavaScript 런타임 환경 또는 Nodejs JavaScript 런타임 환경의 일부이다.(Nodej의 경우) (Nodejs에서는 웹 API가 C/C++ API로 대체된다.)

이제 위의 코드로 돌아가서 어떻게 비동기적인 방식으로 실행되는지 확인해보자.

const networkRequest = () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('Async Code');
  }, 2000);
};
console.log('Hello World');
networkRequest();
console.log('The End');

이미지 출처: Understanding Asynchronous JavaScript

브라우저에서 위 코드가 로드되면 console.log('Hello World')가 스택으로 푸시되어 실행되고, 실행이 종료된 후 스택에서 제거(pop off)된다. 다음으로 networkRequest()에 대한 호출이 발생하므로 스택의 맨 위로 푸시된다.

다음 setTimeout() 함수가 호출되어 스택의 맨 위로 푸시된다. 이때, setTimeout()에는 1) callback 과 2) milliseconds 시간(밀리초)의 두 가지 인수가 있다.

setTimeout() 메서드는 Web API 환경에서 2초(2s)의 타이머를 시작한다. 이때, setTimeout() 실행이 완료되면 스택에서 제거된다. 그 후에는 console.log('The End')가 스택에 푸시되어 실행되고 완료된 후 스택에서 제거된다.

그러는 동안 타이머가 만료되어 콜백이 메시지 큐로 푸시된다. 그러나 콜백은 즉시 실행되지 않으며, 여기서 이벤트 루프가 시작된다.

이벤트 루프

이벤트 루프(event loop)의 역할은 콜 스택을 조사하고 콜 스택이 비어 있는지 여부를 확인하는 것이다. 콜 스택이 비어 있으면, 실행 대기 중인 보류 중인 콜백이 있는지 확인하기 위해 메시지 큐를 조사한다.

위 예시의 경우, 메시지 큐에 콜백이 하나 포함되어 있으며, 해당 시점에서 콜 스택은 비어 있다. 따라서 이벤트 루프는 콜백을 스택의 맨 위로 밀어 넣는다.

그 후 console.log('Async Code')가 스택의 맨 위에 푸시되어 실행되고, 실행이 완료되면 스택에서 분리된다. 이 시점에서 콜백이 완료되어 스택에서 제거되고 프로그램이 마침내 완료된다.

DOM 이벤트

메시지 큐(Message Queue)에는 클릭 이벤트 및 키보드 이벤트와 같은 DOM 이벤트의 콜백도 포함된다.

• 예시:

document.querySelector('.btn').addEventListener('click',(event) => {
  console.log('Button Clicked');
});

DOM 이벤트에서 이벤트 리스너(event listener)는 웹 API 환경에서 특정 이벤트(ex. 클릭 이벤트)가 발생하기를 기다린다. 이때, 이벤트가 발생하면 콜백 함수는 실행 대기 중인 메시지 큐에 배치된다.

동일하게, 이벤트 루프는 콜 스택이 비어 있는지 확인하고, 비어 있고 콜백이 실행되면 이벤트 콜백을 스택으로 밀어넣는다.

이렇게, 메시지 큐를 사용하여 실행 대기 중인 모든 콜백을 저장하는 비동기 콜백과 DOM 이벤트가 어떻게 실행되는지 배웠다.

ES6의 태스크 큐

ES6는 자바스크립트에서 프로미스(Promise)가 사용하는 job queue/micro-task queue 의 개념을 도입하였다. 메시지 큐과 작업 큐의 차이점은, 작업 큐가 메시지 큐보다 우선 순위가 높다는 것이다. 즉, job queue/micro-task queue 내의 Promise 작업이 메시지 큐 내의 콜백 전에 실행된다는 것을 의미한다.

• 예시:

console.log('Script start');
setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout');
}, 0);
new Promise((resolve, reject) => {
    resolve('Promise resolved');
  }).then(res => console.log(res))
    .catch(err => console.log(err));
console.log('Script End');

• 결과:

Script start
Script End
Promise resolved
setTimeout

Promise 응답이 메시지 큐보다 우선 순위가 높은 마이크로 태스크 큐 안에 저장되기 때문에, promise가 setTimeout 전에 실행된다는 것을 알 수 있다.

이번에는 두 가지 promise와 두 가지 setTimeout으로 다른 예를 들어 보자.

• 예시:

console.log('Script start');
setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout 1');
}, 0);
setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout 2');
}, 0);
new Promise((resolve, reject) => {
    resolve('Promise 1 resolved');
  }).then(res => console.log(res))
    .catch(err => console.log(err));
new Promise((resolve, reject) => {
    resolve('Promise 2 resolved');
  }).then(res => console.log(res))
    .catch(err => console.log(err));
console.log('Script End');

결과:

Script start
Script End
Promise 1 resolved
Promise 2 resolved
setTimeout 1
setTimeout 2

이벤트 루프가 메시지 큐/태스크 큐의 작업보다 마이크로 태스크 큐(micro-task queue)의 작업을 우선시하기 때문에 setTimeout의 콜백 전에 두 promise들이 먼저 실행된다는 것을 알 수 있다.

만약 이벤트 루프가 마이크로 태스크 큐에서 태스크를 실행하는 동안 다른 promise가 해결된다면, 해당 promise는 동일한 마이크로 태스크 큐 끝에 추가될 것이다. 따라서, 콜백이 실행되기를 기다리는 시간에 관계없이 메시지 큐 내의 콜백 전에 실행될 것이다.

예:

console.log('Script start');
setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout');
}, 0);
new Promise((resolve, reject) => {
    resolve('Promise 1 resolved');
  }).then(res => console.log(res));
new Promise((resolve, reject) => {
  resolve('Promise 2 resolved');
  }).then(res => {
       console.log(res);
       return new Promise((resolve, reject) => {
         resolve('Promise 3 resolved');
       })
     }).then(res => console.log(res));
console.log('Script End');

결과:

Script start
Script End
Promise 1 resolved
Promise 2 resolved
Promise 3 resolved
setTimeout

따라서 마이크로 태스크 큐(micro-task queue)의 모든 태스크는 메시지 큐의 태스크보다 먼저 실행된다. 즉, 이벤트 루프는 메시지 큐에서 콜백을 실행하기 전에 먼저 마이크로 태스크 큐를 비운다.

마무리하며

해당 포스트를 통해 비동기 자바스크립트가 어떻게 작동하는지 그리고 자바스크립트 런타임 환경을 함께 만드는 콜 스택, 이벤트 루프, 메시지 큐/태스크 큐, 작업 큐/마이크로 태스크 큐와 같은 다른 개념들을 배웠다. 훌륭한 자바스크립트 개발자가 되기 위해 이 모든 개념을 배울 필요는 없지만, 이러한 개념을 아는 것은 큰 도움이 될 것이다:)

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출처

• Understanding Asynchronous JavaScript