24. 클로저

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니다. 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어에서 사용되는 중요한 특성이다.

클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니므로 클로저의 정의는 ECMAScript 사양에 등장하지 않는다. MDN에서는 클로저를 다음과 같이 정의한다.

A closure is the combination of a function and the lexical envirionment within which that function was declared.

클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경과의 조합이다.

24.1 렉시컬 스코프

렉시컬 스코프(정적 스코프) : 자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프 결정

const x = 1;

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

function bar(){
  console.log(x);
}

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

함수의 상위 스코프는 함수를 어디서 정의했는지로 결정되므로 foo 함수와 bar 함수의 상위 스코프는 전역

즉, 함수의 상위 스코프는 함수를 정의한 위치에 의해 정적으로 결정되고 변하지 않음

스코프 : 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경

스코프 체인 : 렉시컬 환경이 자신의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 상위 렉시컬 환경과 연결되는 것

함수의 상위 스코프 결정 = 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조값 결정

=> 렉시컬 스코프란 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장할 참조값, 즉 상위 스코프에 대한 참조는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의한(환경)에 의해 결정되는 것

24.2 함수 객체의 내부 슬롯 [[Envirionment]]

렉시컬 스코프가 가능하려면 함수는 자신이 호출되는 환경과 상관없이, 자신이 정의된 환경(상위 스코프)를 기억해야함.

이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장

함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성할 때, 자신의 정의된 환경에 의해 결정된 상위 스코프의 참조(=현재 실행 중인 실행 컨텍스트) 저장

함수 정의가 평가되어 함수 객체를 생성하는 시점 = 상위 함수가 평가 또는 실행되고 있는 시점 = 실행 중인 실행 컨텍스트가 상위 스코프의 실행 컨텍스트

상위 스코프 : 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된, 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조.

​ 자신이 호출되었을 때 생성될 함수 렉시컬 환경의, 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 저장될 참조값

24.3 클로저와 렉시컬 환경

const x = 1;

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

// outer 함수를 호출하면 outer함수는 중첩함수 inner를 반환하고 생명 주기를 마감
// 그리고 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거 됨
const innerFunc = outer();
innerFunc(); // 10

outer 함수의 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거될 때,

outer 함수의 지역 변수 x와 변수 값 10을 저장하고 있던 outer 함수의 실행 컨텍스트가 제거되었으므로, outer 함수의 지역 변수 x도 생명 주기 마감

그런데 이미 생명 주기가 종료되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거된 outer 함수 지역 변수 x가 동작하듯이 innerFunc는 10을 출력

클로저 : 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있는데, 이러한 중첩함수를 클로저라 함

위 예제에서 outer 함수를 호출하면 outer 함수의 렉시컬 환경이 생성되고, outer 함수 객체의 [[Environment]] 내부 슬롯에 저장된 전역 렉시컬 환경을 outer 함수 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에 할당 (상위스코프).

그 다음 중첩함수 inner가 평가될 때 자신의 [[Environment]] 내부 슬롯에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 outer 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로 저장

outer 함수의 실행이 종료되면 inner 함수를 반환하며 outer 함수의 생명 주기 종료. outer 함수의 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에서 제거.

그러나, outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트에서 제거되지만 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸되지는 않음

왜? outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Environment]] 내부 슬롯에 의해 참조, inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되므로 가비지 컬렉션의 대상이 안됨

outer 함수가 반환한 inner 함수를 호출하면 inner 함수의 실행 컨텍스트 생성, 실행 컨텍스트 스택에 푸시.

렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 inner 함수 객체의 [[Envirionment]] 내부 슬롯에 저장되어 있는 참조값이 할당 (outer 함수 렉시컬 환경)

중첩 함수 inner는 외부 함수 outer보다 더 오래 생존. (클로저)

외부 함수보다 더 오래 생존한 중첩 함수는 외부 함수의 생존 여부(실행 컨텍스트의 생존 여부)와 상관없이 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프를 기억.

이처럼 중첩 함수의 내부에서는 상위 스코프를 참조할 수 있으므로 상위 스코프의 식별자를 참조할 수 있고, 식별자의 값을 변경할 수도 있음

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로 모든 함수는 클로저이지만,

상위 스코프의 어떤 식별자도 참조하지 않는 함수는 브라우저 최적화를 통해 상위 스코프를 기억하지 않기 때문에 클로저라고 하지 않음

중첩 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있어도, 중첩 함수가 외부 함수보다 먼저 소멸되는 경우도 클로저라고 하지 않음

클로저 : 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있고, 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적

클로저인 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자 중 일부 식별자만 참조한다면 브라우저는 최적화를 통해 상위 스코프의 식별자 중 클로저가 참조하는 식별자만 기억

이 때 클로저가 참조하는 식별자를 자유 변수(free variable) 라고 함. 클로저는 자유 함수에 묶여 있는 함수라고 할 수 있음

24.4 클로저의 활용

클로저는 상태(state)를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용. 상태를 안전하게 은닉 (information hiding) 하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용

예시 1)

// 카운트 상태 변수
let num = 0;

// 카운트 상태 변경 함수
const increase = function() {
  // 카운트 상태를 1만큼 증가시킨다.
  return ++num;
};

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

이 때 카운트 상태 변수는 전역 변수를 통해 관리되고 있기 때문에 언제든지 누구나 접근할 수 있고 변경할 수 있음 (암묵적 결합 상태)

따라서 카운터 상태를 안전하게 변경하고 유지하기 위해서 increas 함수만이 num 변수를 참조하고 변경할 수 있게 하는 것이 바람직함. num 변수를 지역변수로 설정해야 함

// 카운트 상태 변경 함수
const increase = function(){
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
  // 카운터 상태를 1만큼 증가시킨다.
  return ++num;
}

// 이전 상태를 유지 하지 못한다.
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1

num 변수를 지역 변수로 변경하여 의도치 않은 상태 변경은 방지했지만, increase 함수가 호출될 때 마다 num이 다시 선언되고 초기화되기 때문에 이전 상태를 유지하지 못함

이전 상태를 유지할 수 있도록 클로저를 사용해야 함

// 카운트 상태 변경 함수
const increase = (function () {
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
  
  //클로저
  return function() {
    return ++num;
  };
}());

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

위 예제에서는 즉시 실행 함수가 호출되고 즉시 실행 함수가 반환한 함수가 increase 변수에 할당됨.

increase 변수에 할당된 함수는 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프(즉시 실행 함수의 렉시컬 환경)를 기억하는 클로저

즉시 실행 함수는 호출된 이후 소멸되지만 즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 increase 변수에 할당되어 호출

즉시 실행 함수가 반환한 클로저는 자신이 정의된 위치에 의해 결정된 상위 스코프(즉시 실행 함수의 렉시컬 환경)를 기억하고 있으므로, 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 num을 언제 어디서 호출하든지 참조하고 변경할 수 있음

즉시 실행 함수는 한 번만 실행되므로 increase가 호출될 때마다 num 변수가 재차 초기화될 일은 없고, num 변수는 외부에서 직접 접근할 수 없는 private 변수이므로 전역 변수를 사용했을 때와 같이 의도하지 않은 변경을 걱정할 필요도 없기 때문에 더 안정적인 프로그래밍이 가능

const counter = (function() {
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
  
  // 클로저인 메서드를 갖는 객체를 반환
  // 객체 리터럴은 스코프를 만들지 않는다.
  // 따라서 아래 메서드들의 상위 스코프는 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경
  return {
    // num : 0, // 프로퍼티는 public 하므로 은닉되지 않는다.
    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 예제의 increase, decrease 메서드의 상위 스코프는 increase, decrease 메서드가 평가되는 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트(즉시 실행 함수의 실행 컨텍스트) 의 렉시컬 환경

따라서 increase, decrease 함수는 즉시 실행 함수 스코프의 식별자를 참조할 수 있음

변수 값은 누군가에 의해 언제든지 변경될 수 있어 오류 발생의 근본적 원인이 될 수 있다.

클로저는 외부 상태 변경이나 가변 데이터를 피하고 불변성을 지향하는 함수형 프로그래밍에서 부수 효과를 최대한 억제하여 오류를 피하고 프로그램의 안정성을 높이기 위해 사용

예시2 ) 함수형 프로그래밍에서의 클로저 활용

// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저 반환
function makeCounter(perdicate){
  // 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수
  let counter = 0;
  
  // 클로저 반환
  return function () {
    // 인수로 전달받은 보조 함수에 상태 변경을 위임
    counter = perdicate(counter);
    return counter;
  };
}

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

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

// 함수로 함수를 생성
// makeConter 함수는 보조 함수를 인수로 전달받아 함수를 반환
const increaser = makeCounter(increase) // 1️⃣
console.log(increaser()); // 1
console.log(increaser()); // 2

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

makeCounter 함수를 호출해 함수를 반환할 때, 반환된 함수는 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 가짐

1️⃣에서 makeCounter 함수를 호출하면 makeCounter 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 makeCounter 함수는 함수 객체를 생성하여 반환한 뒤 소멸.

이 때, makeCounter가 반환한 함수는 makeCounter 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 기억하는 클로저이며, 전역 변수 increaser에 할당

2️⃣에서 makeCounter 함수를 호출하면 새로운 makeCounter 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 makeCounter 함수는 함수 객체를 생성하여 반환한 뒤 소멸.

makeCounter가 반환한 함수는 makeCounter 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 기억하는 클로저이며, 전역 변수 decreaser에 할당

전역 변수 increaser와 decreaserdp 할당된 함수는 각각 자신만의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 자유 변수 counter를 공유하지 않아 카운터 증감이 연동되지 않음

증감이 가능한 카운터를 만들려면 렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들어야하며, 이를 위해서는 makeCounter 함수를 두 번 호출하지 말아야 함

// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저 반환
const counter = (function () {
  // 카운터 상태를 유지하기 위한 자유 변수
  let counter = 0;
  
// 함수를 인수로 전달받는 클로저 반환
  return function (predicate){
    // 인수로 전달받은 보조 함수에 상태 변경 위임
    counter = predicate(counter);
    
    return counter;
  };
}());

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

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

// 보조 함수를 전달하여 호출
console.log(counter(increase)); // 1
console.log(counter(increase)); // 2

// 자유 변수 공유
console.log(counter(decrease)); // 1
console.log(counter(decrease)); // 0

24.5 캡슐화와 정보 은닉

캡슐화 (encapsulation) : 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 동작인 메서드를 하나로 묶는 것

정보은닉 (information hiding) : 적절치 못한 접근으로부터 객체의 상태가 변경되는 것을 방지해 정보를 보호, 객체 간의 상호 의존성(결합도)를 낮춤

자바스크립트는 private, public 같은 접근 제한자를 제공하지 않기 때문에, 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 public

function Person(name, age){
  this.name = name; // public
  let _age = age; // private
  
  // 인스턴스 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

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // H1! my name is Kim. I am 30.
console.log(me.name); // Kim
console.log(you._age); // undefined

위 예제의 name 프로퍼티는 외부로 공개되어 있어서 자유롭게 참조하거나 변경할 수 있으므로 public

_age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수. Person 생성자 함수 외부에서 참조하거나 변경할 수 없으므로 private

sayHi 메서드는 인스턴스 메서드이므로 Person 객체가 생성될 때 마다 중복 생성됨. 이를 prototype 메서드로 변경하면 중복 생성 방지 가능

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

// 프로토타입 메서드
Person.prototype.sayHi = function(){
  // Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없음
	console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}`)
};

Peerson.prototype.sayHi 메서드 내에서 Person 생성자 함수의 지역 변수 _age 를 참조할 수 없음

즉시 실행 함수를 사용하여 Person 생성자 함수와 Person.prototype.sayHi 메서드를 하나의 함수 내로 모으면 참조 가능

const Person = (function () {
  let _age = 0; // private
  
  // 생성자 함수
  function Person(name , age){
    this.name = name; // public
    _age = age;
  }
  
  // 프로토타입 메서드
  Person.prototype.sayHi = function() {
    console.log(_age);
  }
  
  // 생성자 함수 반환
  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

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // H1! my name is Kim. I am 30.
console.log(me.name); // Kim
console.log(you._age); // undefined

Person 생성자 함수와 Person 생성자 함수의 인스턴스가 상속받아 호출할 Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수가 종료된 이후 호출되지만,

이미 종료되어 소멸한 즉시 실행 함수의 지역 변수 _age 를 참조할 수 있음 (클로저)

하지만 위의 코드도 Person 생성자 함수가 여러 개의 인스턴스를 생성할 경우 _age 변수의 상태가 유지되지 않는다는 문제가 있음

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

const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // H1! my name is Kim. I am 30.

// _age 값이 변경됨
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 30.

sayHi 메서드의 상위 스코프는 어떤 인스턴스로 호출하더라도 하나의 동일한 상위 스코프를 사용하기 때문에 _age 값이 유지되지 않음

자바스크립트는 정보 은닉을 완전하게 지원하지 않음

24.6 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]()) // 3, 3, 3
}

위 예제에서는 0, 1, 2를 반환할 것 같지만, 3, 3, 3을 반환함.

var 키워드로 선언한 i 변수는 블록 레벨 스코프가 아닌 함수 레벨 스코프를 갖는 전역 변수이므로 0, 1, 2가 순차적으로 할당되고,

funcs 배열의 요소로 추가한 함수를 호출하면 전역 변수 i의 값을 참조하여 i의 값 3이 출력됨

var funcs = [];

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

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

즉시 실행 함수는 전역 변수 i에 현재 할당되어 있는 값을 인수로 전달받아 매개변수 id에 할당한 후 중첩 함수(클로저)를 반환하고 종료

즉시 실행 함수가 반환한 함수는 func 배열에 순차적으로 저장. 이 때 즉시 실행 함수의 매개변수 id는 반환된 중첩함수의 상위 스코프에 존재하기 때문에 id는 자유 변수가 되어 값 유지

ES6 let 키워드 사용하면 말끔하게 해결됨

for 문의 변수 선언문에서 let 키워드로 선언한 초기화 변수를 사용한 for문은 코드 블록이 반복 실행될 때마다 for문 코드 블록의 새로운 렉시컬 환경 생성

또다른 방법으로는 함수형 프로그래밍 기법인 고차 함수 사용하는 기법이 있음

이 방법은 변수와 반복문의 사용을 억제할 수 있기 때문에 오류를 줄이고 가독성을 좋게 만듦