JavaScript - Execution Context

실행 컨텍스트(Execution Context)

• 자바스크립트의 동작원리를 담고 있는 핵심 개념
  • JavaScript가 스코프를 기반으로 식별자와 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 방식
  • Closure의 동작 방식
  • Task Queue와 함께 동작하는 Event Handler와 비동기 처리의 동작 방식

소스코드의 타입

• ECMAScript Specification(사양)은 소스코드를 4가지 타입으로 구분함

소스코드 타입	설명
전역 코드	전역에 존재하는 소드코드, 전역에 정의된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함 X
함수 코드	함수 내부에 존재하는 소스코드, 함수 내부에 중첩된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함 X
eval 코드	빌트인 전역 함수인 eval 함수에 인수로 전달되어 실행되는 소스코드
모듈 코드	모듈 내부에 존재하는 소스코드, 모듈 내부의 함수, 클래스 내의 내부 코드는 포함 X

1. 전역 코드

   • 전역 코드는 전역 변수를 관리하기 위해 최상위 스코프인 전역 스코프를 생성해야함
   • var 키워드로 선언된 전역변수와 function statement로 정의된 전역함수를 전역 객체의 property와 method로 바인딩하고 참조하기 위해 전역 객체와 연결되어야 함
   • 이를 위해 전역 코드가 평가되면 전역 실행 컨텍스트가 생성됨

2. 함수 코드

   • 지역 스코프를 생성하고 지역 변수, 매개변수, arguments 객체를 관리해야 함
   • 그리고 생성한 지역 스코프를 전역 스코프에서 시작하는 스코프 체인의 일원으로 연결해야 함
   • 이를 위해 함수 코드가 평가되면 함수 실행 컨텍스트가 생성됨

3. eval 코드

   • stict mode에서 자신만의 독자적인 스코프를 생성함
   • 이를 위해 eval 코드가 평가되면 eval 실행 컨텍스트가 생성됨

4. 모듈 코드

   • 모듈 코드는 모듈별로 독립적인 모듈 스코프를 생성함
   • 이를 위해 모듈 코드가 평가되면 모듈 실행 컨텍스트가 생성됨

소스코드 평가와 실행

• JavaScript 엔진은 소스코드를 소스코드의 평가와 소스코드의 실행 과정으로 나누어 처리함
  • 소스코드 평가 과정
    • 실행 컨텍스트를 생성함
    • 변수, 함수 등의 선언문을 먼저 실행함
    • 생성된 변수나 함수 식별자를 키로 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록함
  • 소스코드 실행 과정
    • 선언문을 제외한 소스코드가 순차적으로 실행됨
    • 소스코드 실행에 필요한 정보, 즉 변수나 함수의 참조를 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색하여 취득함
    • 변수 값의 변경 등 소스코드의 실행 결과는 다시 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록됨

실행 컨텍스트의 역할

• 실행 컨텍스트
  • 소스코드를 실행하는 데 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역
  • 식별자(변수, 함수, 클래드 등의 이름)를 등록하고 관리하는 스코프와 코드 실행 순서 관리를 구현한 내부 메커니즘
  • 식별자와 스코프는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경(lexical environment)으로 관리하고, 코드 실행 수서는 실행 컨텍스트 스택(execution context stack)으로 관리함

실행 컨텍스트 스택

• 실행 컨텍스트를 관리하는 스택(stack) 자료구조
  • 코드의 실행 순서를 관리함
  • 소스코드가 평가되면 실행 컨텍스트가 생성되고 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 추가(push)됨
    • 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 존재하는 실행 컨텍스트 = 현재 실행 중인 코드의 실행 컨텍스트 = 실행중인 컨텍스트(running execution context)
  • 소스코드가 실행되는 시간의 흐름에 따라 실행 컨텍스트가 추가(push)되고 제거(pop)됨

렉시컬 환경(Lexical Environment)

• 렉시컬 환경(Lexical Environment)

  • 식별자, 식별자에 바인딩된 값, 상위 스코프에 대한 참조를 관리하는 자료구조
  • 실행 컨텍스트를 구성하는 컴포넌트
  • 객체 형태의 스코프(전역, 함수, 블록 스코프)를 생성하여 식별자를 키로 등록하고 식별자에 바인딩된 값을 관리함

• 렉시컬 환경의 구성 컴포넌트

  • 환경 레코드(Environment Record)
    • 스코프에 포함된 식별자를 등록하고 등록된 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 저장소
  • 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexical Environment Reference)
    • 상위 스코프를 가리킴
    • 해당 실행 컨텍스트를 생성한 상위 코드의 렉시컬 환경을 가리킴
    • 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 single linked list인 스코프체인을 구현함

실행 컨텍스트의 생성과 식별자 검색 과정

1. 전역 객체 생성

• 전역 객체
  • 전역 코드가 평가되기 이전에 전역 객체가 생성됨
  • 전역 객체에 빌트인 전역 프로퍼티, 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체가 추가됨
  • 동작 환경(Client-Side or Server-Side)에 따라 Client-Side Web API 또는 특정 환경(예: node)을 위한 호스트 객체가 포함됨
    • 호스트 객체 : ECMAScript 사양에는 정의되어 있지 않지만 JavaScript 실행 환경에서 추가적으로 제공되는 객체
    • Web API : DOM, BOM, XMLHttpRequest, fetch, requestAnimationFrame, SVG, Web Storage, Web Component, Web Worker 등
    • Node 환경 : Node.js 고유의 API
  • 전역 객체도 Object.prototype을 상속받음 (프로토 타입 체인의 일원)

2. 전역 코드 평가

• 전역 코드 평가 순서
  1. 전역 실행 컨텍스트(Execution Context) 생성
  2. 전역 렉시컬 환경(Lexical Environment) 생성
     2.1 전역 환경 레코드(Environment Record) 생성
     2.1.1 객체 환경 레코드(Object Environment Record) 생성
     2.1.2 선언적 환경 레코드(Declarative Environment Record) 생성
     2.2 this 바인딩
     2.3 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexical Environment Reference)

1. 전역 실행 컨텍스트 생성

• 비어있는 전역 실행 컨텍스트를 생성하여 실행 컨텍스트 스택에 푸시함
• 전역 실행 컨텍스트는 실행중인 실행 컨텍스트(Running Exexution Context)가 됨

2. 전역 렉시컬 환경 생성

• 전역 렉시컬 환경(Global Lexical Environment)을 생성하고 전역 실행 컨텍스트에 바인딩함
• 전역 렉시컬 환경은 환경 레코드(Global Environment Record)와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조(Outer Lexical Environment Reference)로 구성됨

2.1 전역 환경 레코드 생성

• 전역 환경 레코드(Global Environment Record)는 전역 변수를 관리하는 전역 스코프, 전역 객체의 빌트인 전역 프로퍼티, 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체를 제공함
• 전역 환경 레코드는 객체 환경 레코드(Object Environment Recored)와 선언적 환경 레코드(Declarative Environment Record)로 구성됨
  • 객체 환경 레코드 : var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문(function statement)로 정의한 전역 함수, 빌트인 전역 프로퍼티, 빌트인 전역 함수, 표준 빌트인 객체를 관리함
  • 선언적 환경 레코드: let, const 키워드로 선언한 전역 변수를 관리함
  • 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드는 서로 협력하여 전역 스코프와 전역 객체를 관리함

2.1.1 객체 환경 레코드 생성

• BindingObject

  • 전역 코드가 평가되기 이전에 생성된 전역 객체
  • 객체 환경 레코드는 BindingObject와 연결됨
  • 전역 코드 평가 과정에서 var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수는 BindingObject를 통해 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 됨
    • 전역 객체를 가리키는 식별자(window) 없이 전역 객체의 프로퍼티와 메서드를 참조 가능함

• 변수 호이스팅이 발생하는 원인

  • var 키워드로 선언한 변수는 선언 단계와 초기화 단계가 동시에 진행됨
  • 전역 코드 평가 시점에 객체 환경 레코드에 바인딩된 BindingObect를 통해 전역 객체에 변수 식별자를 키로 등록한 후, 암묵적으로 undefined를 바인딩함
    • var 키워드로 선언한 변수는코드 실행 단계에서 변수 선언문 이전에도 참조 가능함
    • 단, 변수 선언문 이전에 참조한 변수의 값은 항상 undefined임
    • var 키워드로 선언한 변수에 할당한 함수 표현식도 동일하게 이와 동작함

• 함수 호이스팅

  • 함수 선언문으로 정의한 함수가 평가되면, 함수 이름과 동일한 이름의 식별자를 객체 환경 레코드에 바인딩된 BindingObject를 통해 전역 객체에 키로 등록하고, 생성된 함수 객체를 즉시 할당함
    • 즉, 함수 선언문으로 정의된 함수는 함수 선언문 이전에 호출 가능함

2.1.2 선언적 환경 레코드 생성

• let, const 키워드로 선언한 전역 변수와 let, const 키워드로 선언한 전역 변수에 할당한 함수 표현식으로 정의된 전역 함수는 선언적 환경 레코드에 등록되고 괸리됨
  • let, const 키워드로 선언한 전역 변수는 전역 객체의 프로퍼티로서 참조할 수 없음
  • const 키워드로 선언한 변수는 선언 단계와 초기화 단계가 분리되어 진행함
    • 초기화 단계, 즉 런타임에 실행 흐름이 변수 선언문에 도달하기 전까지 일시적 사각지대(Temporal Dead Zone:TDZ)에 빠지게 되어 변수를 참조할 수 없음

2.1 this 바인딩

• 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩됨
  • 일반적으로 전역 코드에서 this는 전역 객체를 가리킴
    • 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에는 전역 객체가 바인딩됨
  • 전역 코드에서 this를 참조하면 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에 바인딩되어 있는 객체가 반환됨
  • 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드에는 this 바인딩이 없음
  • 전역 환경 레코드와 함수 환경 레코드에만 this 바인딩이 존재함

2.3 외부 렉시컬 환경에 대한 참조

• 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 현재 평가 중인 소스 코드를 포함한 외부 소스의 렉시컬 환경, 즉 상위 스코프를 가리킴
  • 이를 통해 Linked List인 스코프 체인을 구현함
  • 전역 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는null이 할당됨
    • 전역 코드를 포함하는 소스 코드가 없기 때문임
    • 전역 렉시컬 환경이 스코프 체인의 종점에 존재함을 의미함

3. 전역 코드 실행

• 전역 코드가 순차적으로 실행됨

• 변수 할당문 또는 함수 호출문을 실행하려면 먼저 변수 또는 함수 이름이 선언된 식별자인지 확인해야 함

  • 선언되지 않은 식별자는 참조할 수 없으므로 할당이나 호출을 할 수 없음
  • 식별자는 스코프가 다르면 같은 이름을 가질 수 있음
    • 식별자 결정(identifier resolution): 동일한 이름의 식별자가 다른 스코프에 여러 개 존재할 수 있으므로, 어느 스코프의 식별자를 참조하면 되는지 결정해야 함
  • 선언된 식별자는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 환경 레코드에 등록되어 있음

• 스코프 체인의 동작 원리

  • 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자 검색을 시작함
  • 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별하를 검색할 수 없으면, 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 렉시컬 환경, 즉 상위 스코프로 이동하여 식별자를 검색함
    • 전역 렉시컬 환경에서 검색할 수 없는 식별자는 참조 에러(reference error)를 발생시킴

4. 함수 코드 평가

• 함수 코드 평가는 다음 순서로 진행됨
  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

4.1 함수 실행 컨텍스트 생성

• 함수 실행 컨텍스트를 생성함
• 생성된 함수 실행 컨텍스트는 함수 렉시컬 환경이 완성된 다음 실행 컨텍스트 스택에 푸시됨
  • 푸시된 함수 실행 컨텍스트는 실행 중인 실행 컨텍스트가 됨

4.2 함수 렉시컬 환경 생성

• 함수 렉시컬 환경을 함수 실행 컨텍스트에 바인딩함
  • 렉시컬 환경은 환경 레코드와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 구성됨

4.2.1 함수 환경 레코드 생성

• 함수 환경 레코드는 매개변수, arguments 객체, 함수 내부에서 선언한 지역 변수와 중첩 함수를 등록하고 관리함

4.2.2 this 바인딩

• 함수 환경 레코드의 [[ThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩됨
  • [[ThisValue]] 내부 슬롯에 바인딩될 객체는 함수 호출 방식에 따라 결정됨

4.2.3 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

• 함수 정의가 평가된 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 할당됨
  • JavaScript는 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정함
  • JavaScript 엔진은 함수 정의를 평가하여 함수 객체를 생성할 때, 현재 실행중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경 즉 함수의 상위 스코프를 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장함
  • 함수 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 할당되는 것은 바로 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조임
    • 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]가 렉시컬 스코프를 구현하는 메커니즘임

5. 함수 코드 실행

• 런타임이 시작되어 함수의 소스코드가 순차적으로 실행됨
  • 매개변수에 인수가 할당되고, 지역변수에 값이 할당됨
  • 식별자 결정을 위해 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자 검색을 시작함
    • 만약 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에서 식별자를 검색할 수 없으면, 외부 렉시컬 환경에 대한 참조가 가리키는 렉시컬 환경으로 이동하여 식별자를 검색함

6. 함수 코드 종료

• 더 이상 실행할 함수의 소스코드가 없다면, 함수 코드의 실행이 종료됨
  • 실행 컨텍스트 스택에서 함수의 실행 컨텍스트가 팝되어 제거됨
  • 함수의 실행 컨텍스트가 제거되더라도 함수의 렉시컬 환경을 누군가 참조하고 있다면 렉시컬 환경은 소멸되지 않음
• 더 이상 실행할 전역코드가 없다면, 전역 코드의 실행이 종료됨
  • 실행 컨텍스트 스택에서 전역 실행 컨텍스트가 팝되어 제거됨

참고

• 모던 자바스크립트 Deep Dive - 자바스크립트의 기본 개념과 동작 원리
• 이미지 참고