클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아닙니다. 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어에서 사용되는 중요한 특성입니다.
클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니므로 클로저의 정의가 ECMAScript 사양에 등장하지 않습니다. MDN 문서에는 클로저에 대해 다음과 같이 정의하고 있습니다.
"A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function was declared"
클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.
위 정의에서 먼저 이해해야 할 핵심 키워드는 "함수가 선언된 렉시컬 환경"이다.
const x = 1;
function outerFunc() { // 외부 함수
const x = 10;
function innerFunc() { // 내부 함수
console.log(x); // 10
}
innerFunc();
}
outerFunc();outerFunc 함수 내부에서 중첩 함수 innerFunc가 정의되고 호출되었습니다. 이때 중첩 함수 innerFunc의 상위 스코프는 외부 함수인 outerFunc의 스코프입니다. 따라서 중첩 함수 innerFunc 내부에서 자신을 포함하고 있는 외부 함수 outerFunc의 x 변수에 접근할 수 있습니다.
만약 innerFunc 함수가 outerFunc 함수의 내부에 정의된 중첩 함수가 아니라면 innerFunc 함수는 outerFunc 함수의 내부에서 호출한다 하더라도 outerFunc 함수의 변수에 접근할 수 없습니다.
이 같은 현상이 발생하는 이유는 자바스크립트가 "렉시컬 스코프"를 따르는 프로그래밍 언어이기 때문입니다.
렉시컬 스코프
자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정합니다. 이를 렉시컬 스코프(정적 스코프)라고 합니다.
함수를 어디서 호출하는 지는 함수의 상위 스코프 결정에 어떠한 영향도 주지 못합니다. 즉, 함수의 상위 스코프는 함수를 정의한 위치에 의해 정적으로 결정되고 변하지 않습니다.
스코프의 실체는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경입니다. 이 렉시컬 환경은 자신의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결됩니다. 이것이 바로 스코프 체인입니다.
따라서 "함수의 상위 스코프를 결정한다"는 것은 "렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장할 참조값을 결정한다"는 것과 같습니다.
렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값이 바로 상위 렉시컬 환경에 대한 참조이며, 이것이 바로 상위 스코프이기 때문입니다. 이 개념을 반영하여 다시 한 번 렉시컬 스코프를 정의하면 다음과 같습니다.
렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경(위치)에 의해 정적으로 결정됩니다. 이것이 바로 "렉시컬 스코프"입니다.
함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviornment]]
함수가 정의된 위치와 호출되는 위치는 서로 다를 수 있습니다. 따라서 렉시컬 스코프가 가능하려면 함수는 자신이 정의된 위치, 즉 상위 스코프를 기억해야 합니다. 이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯 [[Enviornment]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장합니다.
다시 말해, 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성할 때 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프의 참조를 함수 객체 자신의 내부 슬롯 [[Enviornment]]에 저장합니다. 이때 자신의 내부 슬롯 [[Enviornment]]에 저장된 상위 스코프의 참조는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 가리킵니다.
따라서 함수 객체의 내부 슬롯 [[Enviornmnet]]에 저장된 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프입니다. 또한 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 저장될 참조값입니다. 함수 객체는 내부 슬롯 [[Enviornment]]에 저장한 렉시컬 환경의 참조, 즉 상위 스코프를 자신이 존재하는 한 기억합니다.
클로저와 렉시컬 환경
cosnt x = 1;
function outer() {
const x = 10;
const inner = function() { console.log(x); };
return inner;
}
const innerFunc = outer();
innerFunc(); // 10outer 함수를 호출하면 outer 함수는 중첩 함수 inner를 반환하고 생명 주기를 마감합니다. 즉, outer 함수의 실행이 종료되면 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거됩니다. 이때 outer 함수의 지역 변수 x와 변수 값 10을 저장하고 있던 outer 함수의 실행 컨텍스트가 제거되었으므로 outer 함수의 지역 변수 x 또한 생명 주기를 마감한것처럼 보입니다. 그러나 위 코드의 실행 결과(innerFunc();)는 outer 함수의 지역 변수 x의 값이 10이다. 이미 생명 주기가 종료되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거된 outer 함수의 지역 변수 x가 다시 생성되었다는 듯이 동작하고 있습니다.
이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있습니다. 이러한 중첩 함수를 클로저라고 부릅니다.
MDN에 정의된 클로저에서 "그 함수가 선언된 렉시컬 환경"이란 함수가 정의된 위치의 스코프, 즉 상위 스코프를 의미하는 실행 컨텍스트 렉시컬 환경을 말합니다.
자바스크립트의 모든 함수는 자신의 상위 스코프를 기억한다고 했습니다. 모든 함수가 기억하는 상위 스코프는 함수를 어디서 호출하든 상관없이 유지됩니다. 따라서 함수를 어디서 호출하든 상관없이 함수는 언제나 자신이 기억하는 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있으며 식별자에 바인딩된 값을 변경할 수도 있습니다.
위 에제에서 inner 함수는 자신이 평가될 때 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 [[Enviornment]] 내부 슬롯에 저장합니다.
이때 저장된 상위 스코프는 함수가 존재하는 한 유지됩니다.
outer 함수가 평가되어 함수 객체를 생성할 때 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 전역 렉시컬 환경을 outer 함수의 [[Enviornment]] 내부 슬롯에 상위 스코프로서 저장합니다.
outer 함수를 호출하면 outer 함수의 렉시컬 환경이 생성되고 앞서 outer 함수의 [[Enviornment]] 내부 슬롯에 저장된 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 렉시컬 환경의 "외부 렉시컬 환경에 대한 참조"에 할당합니다.
그리고 중첩 함수 inner가 평가되면 inner는 자신의 [[Enviornment]] 내부 슬롯에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 outer 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장합니다.
outer 함수의 실행이 종료하면 inner 함수를 반환하면서 outer 함수의 생명 주기가 종료됩니다. 즉, outer 함수의 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에서 제거됩니다. 이때 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거되지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아닙니다.
outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Enviornment]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있고, inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가비지 컬렉션의 대상이 되지 않기 때문입니다. 가비지 컬렉터는 누군가 참조하고 있는 메모리 공간을 함부로 해제하지 않습니다.
outer 함수가 반환한 inner 함수를 호출하면 inner 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 실행 컨텍스트 스택에 푸시됩니다. 그리고 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 inner 함수 객체의 [[Enviornment]] 내부 슬롯에 저장되어 있는 참조값이 할당됩니다.
중첩 함수 inner는 외부 함수 outer보다 더 오래 생존했습니다. 이때 외부 함수보다 더 오래 생존한 중첩 함수는 외부 함수의 생존 여부와는 상관없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억합니다. 이처럼 중첩 함수 inner의 내부에서는 상위 스코프를 참조할 수 있으므로 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있고 식별자의 값을 변경할 수도 있습니다.
자바스크립트의 모든 함수는 자신의 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로는 모두 클로저이지만 일반적으로 모든 함수를 클로저라고 하지 않습니다.
중첩 함수가 상위 스코프의 어떤 식별자도 참조하지 않는 경우 대부분의 모던 브라우저는 최적화를 통해 상위 스코프를 기억하지 않습니다. 참조하지도 않는 식별자를 기억하는 것은 메모리 낭비이기 때문입니다.
이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 중첩 함수를 클로저라고 부릅니다. 클로저는 중첩 함수가 상위 스코프의 변수를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적입니다.
클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 "자유 변수"라고 부릅니다. 클로저란 "함수가 자유 변수에 대해 닫혀있다"라는 의미입니다. 좀 더 알기 쉽게 의역하면 "자유 변수에 묶여있는 함수"라고 할 수 있습니다.
이론적으로 클로저는 상위 스코프를 기억해야 하므로 불필요한 메모리의 점유를 걱정할 수 있지만 모던 자바스크립트 엔진은 최적화가 잘 되어 있어서 클로저가 참조하고 있지 않는 식별자는 기억하지 않습니다. 즉, 상위 스코프의 식별자 중에서 기억해야하는 식별자만 기억합니다.
클로저의 활용
클로저는 상태(자유 변수)를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용합니다. 다시 말해, 상태(자유 변수)가 의도치 않게 변경되지 않도록 안전하게 은닉하고 특정 함수(클로저)에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용합니다.
변수 값은 누군가에 의해 언제든지 변경될 수 있어 오류 발생의 근본적인 원인이 될 수 있습니다. 외부 상태 변경이나 가변 데이터를 피하고 불변성을 지향하는 함수형 프로그래밍에서 부수 효과를 최대한 억제하여 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해 클로저는 적극적으로 사용됩니다.
자주 발생하는 실수
var funcs = [];
for (var i = 0; i < 3; i++) {
funcs[i] = function() { return i; };
}
for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
console.log(funcs[j]);
}첫 번째 for문의 코드 블록 내에서 함수가 funcs 배열의 요소로 추가됩니다. 그리고 두 번째 for 문의 코드 블록 내에서 funcs 배열의 요소로 추가된 함수를 순차적으로 호출합니다. 이때 funcs 배열의 요소로 추가된 3개의 함수가 0, 1, 2를 반환할 것같지만 그렇지 않습니다.
for 문의 변수 선언문에서 var 키워드로 선언한 i 변수는 블록 레벨 스코프가 아닌 함수 레벨 스코프를 갖기 때문에 전역 변수입니다. 전역 변수 i에는 0, 1, 2가 순차적으로 할당됩니다. 따라서 funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 전역 변수 i를 참조하여 값 3이 출력됩니다.
var funcs = [];
for (let i = 0; i < 3; i++) {
funcs[i] = (function (id) {
return function() {
return id;
};
}(i));
}
for (let j = 0; j < funcs.length; j++) {
console.log(funcs[j]); // 0 1 2
}위 예제에서 첫 번째 for 문에서 즉시 실행 함수는 전역 변수 i에 현재 할당되어 있는 값을 인수로 전달받아 id 매개변수에 할당한 후 중첩 함수를 반환하고 종료합니다. 즉시 실행 함수가 반환한 함수는 funcs 배열에 순차적으로 할당됩니다.
이때 즉시 실행 함수의 매개변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수의 상위 스코프에 존재합니다. 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수는 자신의 상위 스코프를 기억하는 클로저이고, 매개변수 id는 즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수에 묵여있는 자유 변수가 되어 그 값이 유지됩니다.
for 문의 변수 선언문에서 let 키워드로 선언한 변수를 사용하면 for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 for 문의 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이 생성됩니다(선언적 환경 레코드를 갖는 렉시컬 환경 생성). 만약 for 문의 코드 블록 내에서 정의한 함수가 있다면 이 함수의 상위 스코프는 for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 식별자의 값을 유지해야 합니다. 이를 위해 for 문이 반복될 때마다 독립적은 렉시컬 환경을 생성하여 식별자의 값을 유지합니다.
이때 for 문의 코드 블록에 의해 생성된 렉시컬 환경은 기존 렉시컬 환경과 교체되고, 새롭게 생성된 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 기존 렉시컬 환경을 가리킵니다. 그리고 for 문의 코드 블록이 종료되면 이전 렉시컬 환경, 즉 종료된 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 렉시컬 환경으로 되돌립니다.
이처럼 let이나 const 키워드를 사용하는 반복문은 코드 블록을 반복 실행할 때마다 새로운 렉시컬 환경을 생성하여 반복할 당시의 상태를 마치 스냅숏을 찍는 것처럼 저장합니다. 단, 이는 반복문의 코드 블록 내에서 함수를 정의할 때 의미가 있습니다. 반복문의 코드 블록 내부에 함수 정의가 없다면 반복문이 생성하는 새로운 렉시컬 환경은 반복 직후, 아무도 참조하지 않기 때문에 가비지 컬렉션의 대상이 됩니다.
