이벤트 루프란 무엇이며, 어떻게 진행되는 건가?

RookieAND·2023년 2월 7일

JavaScript event loop

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✒️ JS Engine use Single Thread

✏️ JS는 단일 스레드 기반의 언어

JS는 단일 스레드 기반의 언어이다. 여러 개의 작업이 있더라도 하나의 작업만을 처리할 수 있다. 하지만 JS가 사용되는 환경에서는 여러 개의 작업이 동시에 처리되는 모습을 쉽게 볼 수 있다.
하지만 동기적 작업은 선행 작업의 시간이 오래 걸릴 경우 그 사이에 사용자는 작업이 완료될 때까지 기다려야 한다는 단점을 내포한다. 이를 타파하기 위해 비동기 처리 방식을 사용한다.
브라우저나 Node.js 에서는 이벤트 루프 기반의 비동기 방식으로 Non-Blocking I/O를 지원 한다고 하는데, 이때 나오는 이벤트 루프 를 활용한 비동기 방식으로 JS는 동시성을 지원한다.

✏️ 단일 스레드는 오직 JS 엔진에만 국한된다.

JS 엔진 자체는 단일 스레드지만 이를 구동하는 환경 (브라우저, Node.js) 의 경우에는 여러 개의 스레드를 사용 한다.
이러한 구동 환경과 단일 호출 스택을 사용하는 JS 엔진 간의 상호 연동을 위해 쓰이는 장치가 바로 이벤트 루프 인 것이다.

✏️ 비동기 관련 로직은 JS 엔진 외부에 있다.

JS 엔진인 V8 의 경우 단일 호출 스택 (Call Stack) 을 통해 순차적으로 들어온 요청을 스택에 담아 하나씩 처리한다.
허나 비동기 호출을 위해 쓰이는 setTimeout 이나 XMLHttpRequest 같은 Web API는 JS 엔진이 아닌 외부에 정의되어 있다. 태스크 큐 같은 장치 또한 JS 엔진 외부에 구현되어 있다.
Node.js는 비동기 I/O를 지원하기 위해 C++ 기반의 libuv 라이브러리를 사용하며, 여기서 이벤트 루프를 제공한다.

✏️ Web API

Web API란 브라우저에게 제공하는 API 이며, 비동기 작업을 처리하기 위한 setTimeout, Promise 등과 같은 기능을 제공한다.
Call Stack 에서 실행된 비동기 함수들은 모두 Web API를 호출하며, 이후 Web API는 인계 받은 콜백 함수를 Task Queue 에 넣는다.

console.log(1);
setTimeout(() => console.log(2));
console.log(3);
// 실행 결과 : 1, 3, 2 순으로 출력

상단의 코드는 아래와 같은 과정을 통해 최종적으로 출력된다.
- console.log(1) 함수가 Call Stack에 추가되고 이후 실행된다.
- setTimeout 함수가 Call Stack에 추가되어 실행되고, 이는 Web API 를 호출시킨다.
- 호출된 Web API는 인계 받은 콜백 함수를 Task Queue에 넣는다.
- console.log(3) 함수가 Call Stack에 추가되고 이후 실행된다.
- 이벤트 루프에서 Call Stack이 비워졌음을 인지하고, Task Queue에 있던 Task를 가져온다.
- 이후 Call Stack에 console.log(2) 함수가 추가되고 실행된다.

✏️ Run-to-Completion

JS의 함수가 실행되는 방식을 보통 Run to Completion 방식이라 하는데, 이는 하나의 함수가 실행되면 해당 함수가 종료되기 전까지 다른 작업이 중간에 실행되지 않음을 의미한다.
JS 엔진은 단일 호출 스택을 사용하며, 현재 스택에 쌓인 함수들이 모두 실행되어 스택에서 제거되기 전까지는 다른 함수가 실행될 수 없다.
JS 내 함수의 호출들은 프레임 스택을 형성한다고 말한다. 이는 함수가 실행될 시 Call Stack에 새로운 프레임이 추가되고 처리가 완료되면 없어지는 원리를 의미한다.

function delay() {
    for (var i = 0; i < 100000; i++);
}

function foo() {
    delay();
    bar();
    console.log('foo!');
}

function bar() {
    delay();
    console.log('bar!');
}

function baz() {
    console.log('baz!');
}

// 결과 : bar!, foo!, baz! 순으로 출력된다.
setTimeout(baz, 10);
foo();

setTimeout 함수가 실행된다면 브라우저에게 타이머 이벤트를 요청한 후 콜 스택에서 제거된다.
이후 foo 함수가 실행되고, 내부의 bar 함수가 실행되며 차례로 스택에 추가되었다가 제거된다.
마지막으로 콜 스택이 비워졌다면 baz 함수가 스택에 즉시 추가되어 실행된다.

믿음성 문제 란?

결과적으로 상단의 코드에서 baz 는 우리가 설정했던 딜레이인 10ms 보다 더 늦게 실행될 것이다.
setTimeout 함수가 호출된 이후 실행된 foo 함수가 처리되기까지 오랜 시간이 걸린다면 콜 스택이 비워지지 않아 baz 함수가 실행될 수 없기 때문이다.
따라서 setTimeout 의 타이머가 항상 올바르게 작동한다는 보장이 없다. 이를 믿음성 문제 라고 한다.

✒️ Event Loop

✏️ What is Event Loop?

브라우저는 변경된 화면을 렌더링하거나 DOM의 이벤트를 관리하고, Promise와 setTimeout 같은 비동기 함수를 적절히 처리하는 일들을 관리한다.
이런 작업들은 모두 Task라고 하며, 이는 순서대로 Task Queue에 담겨서 가장 오래된 순으로, 실행 가능한 Task 부터 순차적으로 꺼내진다.
즉, 브라우저에서의 이벤트 루프란 Task Queue와 Call Stack을 모니터링하고 지속적으로 Task를 실행하는 하나의 프로세스이다.
Call Stack 이 차있다면 이벤트 루프는 스택이 빌 때까지 대기하다 Task Queue에서 Task를 꺼내와 Call Stack에 넣어 이를 실행시켜준다.

✏️ Sequence of Event Loop?

Task Queue 에서 실행 가능하며 (runnable) 가장 오래된 Task를 하나 꺼내 실행한다.
Micro Task Queue 가 전부 비워질 때까지 안의 Micro Task 들을 모두 꺼내 실행한다.
브라우저의 렌더링이 필요한 요소가 있는지를 체크하고, 만약 그러하다면 렌더링을 진행한다.
- resize, scroll 등의 이벤트 실행
- Animation Frame Callbacks 실행 (requestAnimationFrame으로 추가된 callback을 의미)
- Update Intersection Observation Steps 실행
- 렌더링을 통한 화면 업데이트
Task Queue 에 새로운 Task 가 나타날 때까지 대기한다.

✏️ (Macro) Task Queue

Task queues are sets, not queues, because the event loop processing model grabs the first runnable task from the chosen queue, instead of dequeuing the first task.

Task Queue란 setTimeout 이나 setInterval 같은 비동기 함수의 콜백 함수나 이벤트 핸들러 같은 Task가 보관되는 곳이다.
최종적으로 Call Stack에서 실행될 Task들이 모인 하나의 집합 (Set) 이며, 스택이 빌 경우 가장 먼저 들어온 실행 가능한 Task를 추가한다.

Task Queue 에서 Task란 어떤 것들일까?

외부 스크립트 (<script src="...">)가 로딩될 때 이를 실행하는 작업.
setTimeout 이나 setInterval 같은 비동기 함수로부터 인계 받은 콜백 함수를 실행하는 작업.
사용자가 마우스를 움직일 때 mousemove 이벤트와 이벤트 핸들러를 실행하는 작업
HTML 문서를 parser로 파싱하여 토큰화 시키는 작업
Fetch, Ajax 같이 비동기적으로 외부로부터 리소스를 요청하는 작업
document 에 새로운 element 를 삽입하는 등의 DOM 조작 작업.

✏️ Micro Task Queue (수정 예정)

해당 섹션에는 잘못된 정보가 다량 포함되어 있습니다. 개인적인 조사를 통해 빠르게 수정하겠습니다.

Micro Task 란, 기존의 Task에 영향을 받지 않고 비동기적으로 빠르게 수행되는 Task를 의미한다.
- Promise, Object.observe, MutationObserver, process.nextTick 이 이에 속한다.
일반적인 구현으로는 각 Task가 끝나거나 Event Loop의 시작과 끝에서 체크된다. 이 과정을 표준 문서에서는 Micro Task Checkpoint 라고 정의하였다.

Micro Task Check Point 란?

Micro Task Queue가 빌 때까지, Micro Task Queue 에서 가장 오래된 Micro Task를 꺼내 실행하는 과정이다.
해당 과정은 각 Task의 종료와 Micro Task 를 모두 실행시키는 반복 과정의 실행과 끝에서 발생한다.
따라서 Micro Task의 경우 다음 반복에서 실행될 Task 보다 실행에 대한 우선권을 가진다. (그 전에 싹 다 실행되어야 하기 때문)
또한 Micro Task 외의 어떤 Task (렌더링, Callback 등) 도 실행되지 않음을 해당 작업을 통해 보장한다.

perfoming a microtask checkpoint 플래그가 false인지를 확인한다. (현재 Micro Task Queue 를 비우는 중인지 체크)
만약 false 라면, perfoming a microtask checkpoint를 true 으로 한다.
이벤트 루프의 Micro Task Queue가 빌 때까지 Micro Task Queue의 가장 오래된 Micro Task 를 실행한다.
- 만약 실행 중인 Micro Task가 콜백을 실행하는 경우 Microtask Checkpoint 가 실행된다.
- 이 때에는 perfoming a microtask checkpoint 플래그가 true 이기 때문에, 해당 작업이 이중으로 실행되는 것을 막는다. (false 일 경우에만 체크하기에)

✏️ Async / Await 관련 처리 순서의 차이

function a() {
    console.log('a1');
    b();
    console.log('a2');
}

function b() {
    console.log('b1');
    c();
    console.log('b2');
}
  
async function c() {
    console.log('c1');
    await d();
    console.log('c2'); // 이후의 작업은 Micro Task Queue로 이전
}
  
function d() {
    return new Promise(resolve => {
      console.log('d1');
      resolve();
      console.log('d2');
    }).then(() => console.log('then!')); // then Callback 은 Micro Task Queue로 이전

a(); 

// a1
// b1
// c1
// d1
// d2
// b2
// a2
// then! 
// c2

a 함수 호출, console.log(a1) 실행 및 출력
b 함수 호출, console.log(b1) 실행 및 출력
c 함수 호출, console.log(c1) 실행 및 출력
d 함수 호출, 첫 번째 console.log(d1) 실행 및 출력
이후 두 번째 console.log(d2) 실행 및 출력
then 콜백 함수는 Micro Task Queue 에 쌓임. Call Stack이 빌 때까지 대기
d 함수 호출 완료 후 await에 의해 async 함수 c는 중단됨. 나머지 Task (console.log(c2)) 는 Micro Task Queue에 쌓임
c 함수를 호출한 실행 컨텍스트 (b 함수) 로 돌아가서 console.log(b2) 실행 및 출력
b 함수를 호출한 실행 컨텍스트 (a 함수) 로 돌아가서 console.log(a2) 실행 및 출력
콜 스택이 모두 비워지고, 이벤트 루프가 Micro Task Queue를 확인. 내부에는 then 콜백, async 함수가 쌓여있음
먼저 등록된 then 콜백을 실행, console.log(then!) 출력.
이후 async 함수 c가 중단되었던 곳 이후로 실행, console.log(c2) 실행 및 출력

function a() {
    console.log('a1');
    b();
    console.log('a2');
}

function b() {
    console.log('b1');
    c();
    console.log('b2');
}
  
async function c() {
    console.log('c1');
    d();
    console.log('c2');
}
  
function d() {
    return new Promise(resolve => {
      console.log('d1');
      resolve();
      console.log('d2');
    }).then(() => console.log('then!'));
}

a(); 

// a1
// b1
// c1
// d1
// d2
// c2
// b2
// a2
// then!

a 함수 호출, console.log(a1) 실행 및 출력
b 함수 호출, console.log(b1) 실행 및 출력
c 함수 호출, console.log(c1) 실행 및 출력
d 함수 호출, 첫 번째 console.log(d1) 실행 및 출력
이후 두 번째 console.log(d2) 실행 및 출력
then 콜백 함수는 Micro Task Queue 에 쌓임. Call Stack이 빌 때까지 대기
d 함수 호출 완료 후 console.log(c2) 실행 및 출력 (await 키워드가 없어 후속 Task가 Micro Task Queue 로 인계되지 않음)
c 함수를 호출한 실행 컨텍스트 (b 함수) 로 돌아가서 console.log(b2) 실행 및 출력
b 함수를 호출한 실행 컨텍스트 (a 함수) 로 돌아가서 console.log(a2) 실행 및 출력
콜 스택이 모두 비워지고, 이벤트 루프가 Micro Task Queue를 확인. 내부에는 then 콜백이 쌓여있음
이후 등록된 then 콜백을 실행, console.log(then!) 출력.

결국 await 키워드를 만나면, async 함수는 중단되며 이후의 작업은 Micro Task Queue 로 넘어간다.
하지만 await 키워드를 사용하지 않으면 async 함수는 중단되지 않아 이후의 작업을 Call Stack에 넣게 된다.

✏️ Animation Frame Queue

Task의 실행과 렌더링은 별개로 진행되기에, Task가 5번 진행되었다고 해서 렌더링도 5번 진행되지는 않는다.
일반적으로는 Task가 빨리 실행되는 것을 가장 큰 목표로 하지만, 애니메이션 같은 화면 효과와 관련된 코드는 화면의 렌더링되는 시점에 맞춰 실행되어야 한다.
requestAnimationFrame 은 인자로 받은 콜백 함수들을 화면이 렌더링 되기 이전에 실행한다. 정확히는 resize, scroll 등의 이벤트가 발동된 후에 실행된다.
따라서 requestAnimationFrame 은 다음 화면이 리렌더링 될 때 실행하고픈 Task를 예약하는 역할을 하며, 이러한 Task는 Animation Frame Queue 라는 별도의 공간에 저장된다.