[JavaScript] 비동기 프로그래밍과 프로미스

선영·2022년 12월 27일
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프로미스는 정확히 말하면 비동기가 아니다. 비동기와 프로미스는 각각 무엇일까?

💡비동기 프로그래밍

동기와 비동기

먼저 동기와 비동기는 무엇일까? 아래 사진은 브라우저 환경인데, 이 중 자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택(콜스택)을 갖는다. 즉, 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드 방식으로 동작하는 동기처리를 따르게 된다. 보다시피 예시코드의 foo()가 먼저 실행되어 스택에 담기고, 그 다음 실행된 bar()함수가 스택에 담겨있다. 동기적 실행방식의 장단점은 다음과 같다.

  • 장점: 실행 순서가 보장된다.
  • 단점: 앞선 태스크(아래 예시에선 foo함수)가 종료될 때까지 다음 태스크들이 블로킹된다.
const foo = () => {};
const bar = () => {};

foo();
bar();

비동기처리는 이와는 반대로 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 바로 실행하는 방식이다. 대표적으로 web api에서 제공하는 타이머 함수인 setTimeout과 setInterval, HTTP요청, 이벤트 핸들러 등이 있다. 비동기적 실행방식의 장단점은 다음과 같고, 이벤트 루프와 태스크 큐와 깊은 관계가 있다.

  • 장점: 앞선 태스크(앞 예시에선 foo함수)가 종료될 때까지 다음 태스크들이 블로킹되지 않는다.
  • 단점: 실행 순서가 보장되지 않는다.

이벤트 루프와 태스크 큐

앞서 살펴봤듯이 자바스크립트의 특징 중 하나는 싱글 스레드로 동작하는 것이다. 그럼 비동기적 처리와 같이 자바스크립트의 동시성을 지원하는 것은 무엇일까? 바로 이벤트 루프다. 앞서 봤던 아래 사진이 바로 이벤트 루프와 브라우저 환경을 그리고 있다. 이 중 자바스크립트 엔진은 콜스택과 힙으로 구성되어있고, 소스코드의 평가와 실행을 처리할 뿐이다.

  • 콜스택은 실행 컨텍스트 스택이다. 즉, 자바스크립트 코드가 실행되기 위한 환경을 제공하고, 실행결과를 관리한다.

  • 힙은 객체가 저장되는 메모리 공간으로, 콜스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.

즉, 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저가 담당한다. 그리고 이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공한다.

  • 태스크 큐(이벤트 큐)는 setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다.

  • ⭐️ 이벤트 루프는 콜스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기중인 함수(콜백함수, 이벤트 핸들러)가 있는지 반복적으로 확인하여, 콜스택이 비어있고, 태스크 큐에 대기중인 함수가 있다면 선입선출로 태스크 큐에 대기중인 함수를 콜스택으로 이동시킨다. 그리고 이때 콜스택으로 이동한 함수가 실행된다. 즉, 태스크 큐에 일시적으로 보관된 함수들은 비동기 처리방식으로 동작하는 것이다.

그렇다면 아래 예제코드에서 foo()와 bar()의 실행순서는 어떻게 될까? 비동기 함수인 setTimeout의 콜백 함수인 foo()는 태스크 큐에 푸쉬되어 대기하다가 콜스택이 비게 되면, 다시 말해 전역코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료되면 비로소 콜스택에 푸쉬되어 실행된다.

 function foo() {
    console.log('foo');
  }

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

  // setTimeout의 콜백함수인 foo는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가 콜 스택이 비게되면 비로소 콜 스택에 푸쉬되어 실행된다.
  setTimeout(foo, 3 * 1000);

  bar();

결론적으로 자바스크립트 엔진은 싱글스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티스레드로 동작한다.

비동기 처리를 위한 콜백패턴의 단점

앞서 봤듯이 자바스크립트는 비동기 처리를 위한 하나의 패턴으로 콜백함수를 사용한다. 그런데 이와같은 콜백함수의 처리결과를 외부로 반환하거나 상위 스코프의 변수에 할당하지 못한다. 왜일까?

비동기 함수를 호출하면 함수내부의 비동기로 동작하는 코드가 완료되지 않아도 기다리지 않고 즉시 종료된다. 즉, 비동기 함수 내부의 비동기로 동작하는 코드는 비동기 함수가 종료된 이후에 완료된다. 예를 들어 아래 setTimeout비동기 함수의 콜백함수는 g=100로 상위 스코프의 변수에 새로운 값을 할당하려 하고 있다. 그런데 이건 불가능하다. 왜냐면 () => {g = 100;}콜백함수는 태스크 큐에 저장되어 대기하다가, 콜스택이 비면, 즉 전역코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료되면, 이벤트 루프에 의해 콜스택에 푸시되어 실행되기 때문이다.

let g = 0;
setTimeout(() => { g = 100; }, 0);
console.log(g); // 0

그래서 비동기 함수를 재사용하기 쉽게 비동기 함수에 콜백함수(나중에 호출할 함수)를 전달하여 서버의 응답 등 비동기 함수의 처리 결과에 대한 후속 처리를 비동기 함수의 내부에서 처리한다.

그런데 이와 같은 콜백함수의 반환값을 사용하여 비동기 함수를 또다시 호출하려 할때 콜백헬을 유발할 수 있다. 예를 들어 아래 코드를 보면 GET요청을 통해 서버로부터 응답(id가 1인 post)를 취득하고, 이 데이터를 사용하여 또 다시 GET요청을 하는 경우가 되겠다.

// GET 요청을 위한 비동기 함수
const get = (url, callback) => {
  const xhr = new XMLHttpRequest();
  xhr.open('GET', url);
  xhr.send();

  xhr.onload = () => {
    if (xhr.status === 200) {
      // 서버의 응답을 콜백 함수에 전달하면서 호출하여 응답에 대한 후속 처리를 한다.
      callback(JSON.parse(xhr.response));
    } else {
      console.error(`${xhr.status} ${xhr.statusText}`);
    }
  };
};

const url = 'https://jsonplaceholder.typicode.com';

// id가 1인 post의 userId를 취득
get(`${url}/posts/1`, ({ userId }) => {
  console.log(userId); // 1
  // post의 userId를 사용하여 user 정보를 취득
  get(`${url}/users/${userId}`, userInfo => {
    console.log(userInfo); // {id: 1, name: "Leanne Graham", username: "Bret",...}
  });
});

그리고 가장 심각한 문제점은 에러는 호출자 방향으로 전파되는데, 콜백함수를 호출한 주체는 비동기 함수가 아니기 때문에 비동기 함수의 에러를 캐치하지 못한다는 점이다.

💡프로미스

이런 콜백패턴의 단점을 보완하기 위해 es6부터 프로미스가 나왔다. 프로미스는 다음과 같은 특징을 가진 객체다.

  • 비동기 함수 내부에서 생성하고 반환가능한 객체다.
  • 인수로 전달받은 콜백함수 내에서 비동기 처리 상태와 처리 결과를 관리하는 객체다.

아래 예제를 보면 promiseGet비동기 함수 내부에서 Promise생성자 함수를 new연산자와 같이 호출하여 프로미스 객체를 생성하고 반환하고 있다. 이 프로미스 생성자 함수는 비동기 처리를 수행할 콜백함수를 인수로 전달 받는다.
이 콜백함수는 resolve와 reject함수를 인수로 전달받고, 콜백함수 내에서 비동기 처리 결과를 함수에 각각 전달하여 호출하게되면, 프로미스의 상태인 fulfilled와 rejected도 이에 따라 결정된다.

// GET 요청을 위한 비동기 함수
const promiseGet = url => {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const xhr = new XMLHttpRequest();
    xhr.open('GET', url);
    xhr.send();

    xhr.onload = () => {
      if (xhr.status === 200) {
        // 성공적으로 응답을 전달받으면 resolve 함수를 호출한다.
        resolve(JSON.parse(xhr.response));
      } else {
        // 에러 처리를 위해 reject 함수를 호출한다.
        reject(new Error(xhr.status));
      }
    };
  });
};

// promiseGet 함수는 프로미스를 반환한다.
promiseGet('https://jsonplaceholder.typicode.com/posts/1');

☑️ 참고

📖 js deep dive | 비동기 프로그래밍, 프로미스
🔗 js core | 프라미스와 async, await

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