[모던 자바스크립트 딥다이브] 24장 클로저

✏️개요

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니다.
함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어(하스켈, 리스프, 언랭, 스칼라)에서
사용되는 중요한 특성이다.

MDN에서 정의하는 클로저는 다음과 같다.

클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.

✏️렉시컬 스코프

자바스크립트 엔진은 함수가 정의된 위치에 따라 상위 스코프를 결정한다.
이를 렉시컬 스코프(정적 스코프)라고 한다.

렉시컬 스코프의 실체는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다.
이 렉시컬 환경은 자신의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결된다.
이를 스코프 체인이라 한다.

✏️함수 객체 내부 슬롯 [[Environment]]

렉시컬 스코프가 가능하려면
함수는 상위 스코프를 기억해야한다.
이때 함수가 정의된 위치가 상위 스코프이다.

이를 위해 함수는 함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성할 때
자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 상위 스코프의 참조를 저장한다.

또한 현재 실행중인 컨텍스트는 함수가 호출되었을 때
함수 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장될 참조 값이다.

즉 자신이 존재하는 한 상위 스코프를 기억한다.

const x = 1;

function foo() {
  const x = 10;
  
  bar();
}

// 함수 bar는 전역 렉시컬 환경을 [[Environment]]에 저장하여 기억한다.
function bar() {
  console.log(x);
}

foo(); // 1
bar(); // 10

위 코드의 대한 구조는 아래 그림과 같다.

foo함수와 bar 함수는 모두 전역에서 함수 선언문으로 정의됐다.
따라서 모두 전역 코드가 평가되는 시점에 함수 객체를 생성하고 전역 객체 window의 메서드가 된다.
이때 생성된 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]] 에는 함수 정의가 평가된 시점(전역 코드)의
렉시컬 환경이 저장된다.

함수가 호출되면 함수 내부로 코드의 제어권이 이동하고 평가를 시작한다.

• 1_함수 실행 컨텍스트 생성
• 2_함수 렉시컬 환경 생성
  • 2.1_함수 환경 레코드 생성
  • 2.2_this 바인딩
  • 2.3_외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

✏️클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;

function outer(){
  const x = 10;
  const inner = function() {console.log(x)};
  return inner;
}

const innerFunc = outer();
innerFunc(); // 10

outer 함수는 inner를 반환하고 생명주기가 종료된다.
따라서 innerFunc()을 실행하면 outer()의 x에 접근이 안될 것 같지만
x 가 부활한 것처럼 동작한다.

이처럼 외부 함수(outer)보다 중첩 함수(innerFunc)가 더 오래 유지되는 경우
중첨 함수(innerFunc)는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수(outer)의 변수를 참조할 수 있다.
이러한 중첩 함수(innerFunc)를 클로저라 한다.

자바스크립트의 모든 함수는 자신의 상위 스코프를 기억한다.
모든 함수가 기억하는 상위 스코프는 호출 위치에 상관없이
언제나 자신이 기억하는 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있으며
값을 변경할 수도 있다.

위 예제에서 inner 함수는 자신이 평가될때 상위 스코프를 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장한다.
이때 저장된 스코프는 함수가 존재하는 한 유지된다.

outer() 함수가 호출되고 종료되면 inner 함수를 반환하면서
outer 함수의 실행 컨텍스트가 pop되어 제거된다.

하지만 outer 함수의 렉시컬 환경은 [[Environment]] 내부 슬롯에 참조되고 있고
inner함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있으므로 가바지 컬렉션 대상이 되지 않는다.

이후 outer함수가 반환한 inner함수를 호출하면 inner함수의 실행 컨텍스트가 생성되고
실행 컨텍스트에 push 된다.

그리고 렉시컬 환경에 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는
inner 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장되어있는 참조 값이 할당된다.

중첩 함수 inner는 외부 함수 outer보다 더 오래 생존했다.
이때 외부 함수보다 더 오래 생졶나 중첩 함수는 외부 함수의 생존 여부와 상관없이
자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억한다.
따라서 식별자를 참조할 수도 있고 식별자의 값을 변경할 수도 있다.

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로는 모든 함수는 클로저다.
하지만 일반적으로 모든 함수를 클로저라고 부르지 않는다.

상위 스코프의 어떠한 식별자도 참조하지 않으면 브라우저는 최적화를 통해
상위 스코프를 기억하지 않는다.

또한 실행 컨텍스트 종료 시 참조하고 있는 변수가 없는 경우 곧바로 삭제되지 않는 경우도
클로저가 아니다.

즉, 클로저는 중첩 함수가 상위 식별자를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다
더 오래 유지하는 경우에 한정한다.

추가적으로 자바스크립트 엔진은
상위 소코프의 변수들 중, 일부만 참조한다면 그 일부 식별자만 기억해서
메모리를 효율적으로 관리한다.

✏️클로저의 활용

클로저는 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다.
즉, 상태를 완전하게 은닉하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

let num = 0;

const increase = function() {
  return ++num;
};

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3

위 코드는 잘 동작하지만 오류 발생 가능성이 있는 코드이다.

위 예제가 바르게 동작하려면 다음의 전제조건을 지켜야한다.

1. 카운트 상태(num변수의 값)는 increase 함수가 호출되기 전가지 변경되지않고 유지되어야한다.
2. 이를 위해 카운트 상태는 increase 함수만이 변경할수 있어야한다.

따라서 카운트 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해서는
increase함수 만이 num 변수를 참조하고 변경할 수 있도록 해야 한다.

const increase = function () {
  let num = 0;
  return ++num;
}

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1

위 코드는 num 변수를 increase 함수의 지역 변수로 변경하여 의도치 않은 변경은 막았지만
increase 함수가 호출될때마다 num이 0으로 초기화되어 상태를 유지하지 못한다.

이전 상태를 유지할 수 있도록 클로저를 사용하면 다음과 같다.

const increase = (function () {
  let num = 0;
  
  //클로저
  return function() {
    return ++num;
  };
}());

console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3

실행 과정은 다음과 같다.
1. 즉시 실행 함수 호출
2. 즉시 실행 함수가 반환한 함수가 increase 변수에 할당
2.1. 반환한 함수가 기억하는 상위 스코프: 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경
3. 즉시 실행 함수 소멸
4. console.log(increase()); // 카운트 증가

증가와 감소 모두 되도록 발전시키면 다음과 같다.

const counter = (function () {
  let num = 0;
  
  //클로저
  return {
    increase() { return ++num },
    decrease() { return num > 0 ? --num : 0 },
  }
}());

console.log(counter.increase()); // 1
console.log(counter.increase()); // 2

console.log(counter.decrease()); // 1
console.log(counter.decrease()); // 0

위 예제에서 즉시 실행 함수가 반환하는 객체 리터럴은
즉시 실행 함수 실행 단계에서 평가되어 객체가 된다.
이 때 객체의 메서드도 함수 객체로 생성된다.

객체 리터럴의 중괄호는 코드 블록이 아니므로 별도의 스코프를 생성하지 않는다.

위 예제의 increase, decrease 메서드의 상위 스코프는
즉시 실행 함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경이다.
따라서 두 메서드가 언제 어디서 호출되든 상관 없이 즉시 실행 함수 스코프의 식별자를
참조할 수 있다.

위 예제를 생성자 함수로 표현하면 다음과 같다.

const Counter = (function () {
  let num = 0;
  
  function Counter() {
    // this.num = 0; // num을 전역 변수로 한 이유 : 프로퍼티는 public하므로 은닉되지 않는다.
  }
  
  Counter.prototype.increase = function () {
    return ++num;
  };
  
  Counter.prototype.decrease = function () {
    return num > 0 ? --num : 0 ;
  };
  
  return Counter;
}());

const counter = new Counter();

console.log(counter.increase()); // 1
console.log(counter.increase()); // 2

console.log(counter.decrease()); // 1
console.log(counter.decrease()); // 0

만약 num이 생성자 함수 Counter가 생성할 인스턴스의 프로퍼티라면
외부에서 접근이 자유로운 public 프로퍼티가 된다.

하지만 즉시 실행 함수 내 선언된 num 변수는 인스턴스를 통해 접근할 수 없으며
즉시 실행 함수 외부에서도 접근할 수 없는 은닉된 변수다.

생성자 함수 Counter는 프로토타입을 통해 increase, decrease 메서드를 상속받는
인스턴스를 생성한다.
increase, decrease 메서드는 모두 자신의 함수 정의가 평가되어 함수 객체가 될때
실행 중인 실행 컨텍스트인 즉시 실행 함수 실행 컨텍스트의
렉시컬 환경을 기억하는 클로저 이다.

따라서 num 변수의 값은 increase, decrease 메서드만이 변경할 수 있다.

변수 값은 누군가에 의해 언제든지 변경될 수 있어 오류 발생의 근본적인 원인이 될 수 있다.
외부 상태 변경이나 가변 데이터를 비하고 불변성을 지향하는 함수형 프로그래밍에서
부수 효과를 최대한 억제하여 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해
클로저는 적극적으로 사용된다.

다음은 함수형 프로그래밍에서 클로저를 활용하는 간단한 예제다.

// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
function makeCounter(aux){
  // 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수
  let counter = 0;
  
  // 클로저 반환
  return function() {
	// 인수로 전달 받은 보조 함수에 상태 변경을 위임한다.
    counter = aux(counter);
    return counter;
  };
}

// 보조 함수
function increase(n){
  return ++n;
}

// 보조 함수
function decrease(n){
  return --n;
}

// 함수로 함수를 생성ㅎ나다.
// makeCounter 함수는 보조 함수를 인수로 전달 받아 함수를 반환한다.
const increaser = makeCounter(increase);
console.log(increaser()); // 1
console.log(increaser()); // 2

// increaser 함수와는 별개의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 카운터 상태가 연동하지 않는다.
const decreaser = makeCounter(decrease);
console.log(decreaser()); // -1
console.log(decreaser()); // -2

위 코드에서 makeCounter 함수는 보조 함수를 인자로 전달 받고 함수를 반환하는 고차함수다.
makeCounter 함수가 반환하는 함수는 자신이 생성됐을 때의 렉시컬 환경인
makeCounter 함수의 스코프에 속한 counter 변수를 기억하는 클로저다.

주의할 점은 makeCounter 함수를 호출해 함수를 반환할때 반환된 함수는
자신의 독립된 렉시컬 환경을 갖는다는 것이다.
그렇기 때문에 자유변수 counter를 공유하지 않는다.

독립된 카운터가아닌 연동하여 증감이 가능한 카운터를 만들려면
렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들어야한다.
이를 위해서 makeCounter 함수를 두 번 호출하지 말아야한다.

const counter = (function (aux) {
  let counter = 0;
  
  return function(aux) {
    counter = aux(counter);
    return counter;
  }
}());

function increase(n) {
  return ++n;
}

function decrease(n) {
  return --n;
}

console.log(counter(increase)); // 1
console.log(conuter(increase)); // 2

console.log(counter(decrease)); // 1
console.log(counter(decrease)); // 0

✏️캡슐화와 정보 은닉

캡슐화는 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 메서드를
하나로 묶은 것을 말한다.
캡슐화는 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 사용되기도 하는데
이를 정보 은닉이라한다.

정보 은닉은 외부에 공개할 필요가 없는 구현의 일부를 외부에 공개되지 않도록 감추어
적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지해 정보를 보호하고
객체 간의 상호 의존성, 즉 결합도를 낮추는 효과가 있다.

자바스크립트는 public, private, protected와 같은 접근 제한자를 제공하지 않는다.
따라서 기본적으로 외부에 공개되어있다.

function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age;
  
  // 인스턴드 메서드
  this.sayHi = function() {
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
}

const me = new Person("Lee", 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

위 코드에서 name 프로퍼티는 public 하지만
_age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수 이므로 외부에서
참조 및 변경할 수 없다. 즉 private 하다.

하지만 sayHi는 인스턴스 메서드 이므로 Person 객체가 생성될때마다 중복 생성된다.
sayHi 메서드를 프로토타입 메서드로 변경하여 sayHi 메서드의 중복 생성을 제거하면
다음과 같다.

function Person(name, age){
  this.name = name;
  let _age = age;
}

Person.prototype.sayHi = function(){
   console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
};

이때 sayHi 메서드는 _age를 참조할 수 없다.
따라서 즉시 실행 함수를 사용하여 다음과 같이 변경한다.

const Person = (function () {
  let _age = 0;
  
  function Person(name, age) {
    this.name = name; 
    _age = age;
  }
  
  Person.prototype.sayHi = function(){
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
  
  return Person;
}());

const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined

하지만 위 코드도 문제가 있다.
Person 생성자가 여러개의 인스턴스를 생성할 경우 다음과 같이 _age 변수 상태가
유지되지 않는다.

const me = new Person("Lee", 20);
me.sayHi(); // Hi My name is Lee. I am 20.

const you = new Person("Kim", 30);
you.sayHi(); // Hi My name is Kim. I am 30.

// _age 변수 값이 변경됐다!!! 20->30
me.sayHi(); // Hi My name is Lee. I am 30.

이유는 Person.prototype.sayHi 메서드가 단 한 번 생성되는 클로저 이기 때문이다.
Person.prototype.sayHi 는 즉시 실행 함수가 호출될 때 생성되는데
이 때 Person.prototype.sayHi의 상위 스코프는 즉시 실행 함수가 된다.

따라서 모든 인스턴스가 동일한 상위 스코프를 가지므로
_age 변수를 공유하게 되기 때문에 이와 같은 현상이 발생한다.

이처럼 자바스크립트는 정보 은닉을 완벽하게 지원하지 않는다.
인스턴스 메서드를 사용한다면 자유 변수를 통해 private를 흉내 낼 수는 있지만
프로토타입 메서드를 사용하면 이마저도 불가능해진다.
ES6의 Symbol 또는 WeakMap을 사용하여 private한 프로퍼티를 흉내 내기도 했지만
근본적인 해결책이 아니였다.

해결책은 25장 private 필드 정의 제안에서 살펴본다.

✏️자주 발생하는 실수

아래는 클로저를 사용할때 자주 발생할 수 있는 실수를 보여주는 예제다.

var funcs [];

for(var i = 0; i < 3; i++){
  func[i] = function() { return i };
}

for(var j = 0; j < func.length; j++){
  console.log(funcs[j]());
}

func 배열의 요소의 함수를 실행하면 0 1 2 를 반환할 것 같지만
var 키워드로 선언된 변수를 함수 레벨 스코프 이므로 전역 변수이다.
따라서 3이 출력된다.

이를 바르게 동작하도록 수정하면 다음과 같다.

var funcs [];

for(var i = 0; i < 3; i++){
  func[i] = (function(id) { 
    return function() {
      return id;
	};
  }(i));
}

for(var j = 0; j < func.length; j++){
  console.log(funcs[j]());
}

즉시 실행 함수는 전역 변수 i의 값을 인수로 전달 받아 매개 변수 id에 할당한후
중첩 함수를 반환하고 종료된다.

이때 즉시 실행 함수의 매개변수 id는
즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수의 상위 스코프에 존재한다.
즉시 실행 함수가 반환한 중첩 함수는 자신의 상위 스코프(즉시 실행 함수)를 기억하는 클로저고,
id 는 즉시 실행함수가 반환한 중첩 함수에 묶여있는 자유 변수가 되어 그 값이 유지된다.

ES6의 let 키워드를 사용한 변수는 블록레벨 스코프이므로 깔끔하게 해결할 수 있다.

var funcs [];

for(let i = 0; i < 3; i++){
  func[i] = function() { return i };
}

for(let j = 0; j < func.length; j++){
  console.log(funcs[j]()); // 0 1 2 
}

let 키워드로 선언한 변수를 for문의 코드 블록이 반복될때 마다
for 문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이 생성된다.

만약 for 문 코드 블록내에 정의한 함수가 있다면
이 함수의 상위 스코프는 for문 코드 블록이 반복 실행될때마다
생성된 for문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경이다.

for 문 변수 선언 문에서 let 키워드로 선언한 초기화 변수를 사용한 for문이 평가되면
먼저 새로운 렉시컬 환경을 생성하고 변수 식별자와 갑슬 등록한다.

그리고 새롭게 생성된 렉시컬 환경을 현재 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 교체한다.

for 문 코드 블록이 반복 실행되면 새로운 렉시컬 환경ㅇ르 생성하고
for 문 코드 블록 내의 식별자와 값(증감문 반영 이전)을 등록한다.

그리고 새롭게 생성된 렉시컬 환경을 현재 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 교체한다.

for문 코드 블록의 반복 실행이 모두 종료되면 for문이 실행되지 이전의 렉시컬 환경을
실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 되돌린다.

이처럼 let이나 const를 사용한 반복문은 코드 블록을 실행할때마다
새로운 렉시컬 환경을 만들어 반복할 당시의 상태를 마치 스냅숏을 찍는 것처럼 저장한다.

단, 이는 반복문의 코드 블록내에서 함수를 정의할 때 의미이다.
반복문 코드블록 내에 함수 정의가 없는 반복문이 생성하는 새로운 렉시컬 환경은
반복 직후 가비지 컬렉션 대상이된다.

또 다른 방법은 함수형 프로그래밍 기법인 고차함수를 사용하는 방법이있다.
이 방법은 변수와 반복문의 사용을 억제할 수 있어서 오류를 줄이고 가독성을 좋게 만든다.

const funcs = Array.from(new Array(3), (_,i) => () => i); // (3) [f,f,f]

funcs.forEach(f = > console.log(f())); // 0 1 2