대부분의 프로그래밍 언어는 운영체제나 가상 머신 위에서 실행되지만 웹 어플리케이션의 클라이언트 사이드 자바스크립트는 브라우저에서 HTML,CSS와 함께 실행된다. 따라서 브라우저 환경을 고려할 때 더 효율적인 클라이언트 사이드 자바스크립트 프로그래밍이 가능하다.
이를 위해 브라우저가 HTML CSS 자바스크립트로 작성된 텍스트 문서를 어떻게 파싱(해석)하여 브라우저에 렌더링하는지 살펴보자.
파싱(parsing)
파싱은 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해하고 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리를 생성하는 일련의 과정을 말한다. 일반적으로 파싱이 완료된 이후에는 파스 트리를 기반으로 중간 언어인 바이트코드를 생성하고 실행한다.
파싱은 프로그래밍 언어에 맞게 문자열을 토큰으로 분해하고, 트리구조의 파스 트리를 생성하는 일련의 과정으로 파싱 완료 이후 바이트코드를 생성하고 실행한다.
바이트코드란?
바이트코드는 특정한 하드웨어가 아니라 가상머신에서 실행하도록 만든 바이너리 코드를 의미한다.
렌더링(rendering)
렌더링은 HTMl,CSS,JS로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것을 말한다.
브라우저의 렌더링 과정
1. 브라우저는 HTML/CSS/JS/IMG/FONTFILE 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
2. 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
3. 브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다. 이때 자바스크립트는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
4. 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.
1. 브라우저는 서버에게 리소스를 요청하고 서버로부터 응답받는다.
2. 브라우저는 응답받은 리소스를 파싱하고 DOM/CSSOM 생성하여 렌더 트리를 생성한다.
3. 이후 자바스크립트를 파싱하여 AST생성, 바이트코드 변환 과정을 거친 뒤 실행하고, 실행하면서 변경되는 DOM/CSSOM을 다시 렌더트리로 결합한다.
4.렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다
과정 1 - 브라우저의 서버로부터의 리소스 요청과 응답
브라우저에서 서버에 리소스 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공한다. 브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면 URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP주소로 변환되고 이 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.
예를 들어, 브라우저의 주소창에 https://poiemaweb.com 을 입력하고 엔터키를 누르면 루트 요청이 poiema.com 서버로 전송된다. 루트 요청에는 명확히 리소스를 요청하는 내용이 없지만 일반적으로 서버는 루트 요청에 대해 암묵적으로 index.html을 응답하도록 기본 설정되어 있다.
즉 https://poiemaweb.com 은 https://poiemaweb.com/index.hgml 과 같은 요청이다.
루트요청이란
스킴과 호스트만으로 구성된 URI에 의한 요청이다.
따라서 서버는 루트 요청에 대해 서버의 루트 폴더에 존재하는 정적 파일 index.html을 클라이언트(브라우저)로 응답한다. 만약 index.html이 아닌 다른 정적 파일을 서버에 요청하려면 브라우저의 주소창에 https://poiemaweb.com/asswets/data/data.json 과 같이 요청할 정적 파일의 경로(서버의 루트 폴더 기준)와 파일 이름을 URI의 호스트 뒤의 path에 기술하여 서버에 요청한다. 그러면 서버는 루트 폴더의 assets/data 폴더 내에 있는 정적 파일 data.json을 응답할 것이다.
물론 주소창을 통해 요청하는 것 뿐만 아니라 자바스크립트를 통해 동적으로 서버에 데이터를 요청할 수도 있다.
주소창을 통해 서버로부터 리소스를 응답받을 때, index.html 뿐만 아니라 CSS,JS,IMG 등 다른 리소스들도 응답되는데, 이는 브라우저의 렌더링 엔진이 HTML을 파싱하는 도중에 외부 리소스를 로드하는 태그인 CSS파일을 로드하는
link tag, 이미지를 로드하는img tag, 자바스크립트를 로드하는script tag등을 만나 HTML 파싱을 일시 중지하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청하기 때문이다.
HTTP 1.1과 HTTP 2.0
HTTP/1.1은 기본적으로 커넥션 당 하나의 요청과 응답만 처리한다. 즉 여러개의 요청을 한번에 전송할 수 없고 응답 또한 마찬가지다. 따라서 HTML 문서 내애 포함된 여러 개의 리소스 요청, 즉 link tag, img tag, script tag 등에 의한 리소스 요청이 개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전송된다. 이처럼 HTTP/1.1은 리소스의 동시 전송이 불가능한 구조이므로 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.
HTTP/2는 커넥션 당 여러 개의 요청과 응답이 가능하다. 따라서 HTTP/2.0은 여러 리소스의 동시 전송이 가능하므로 HTTP/1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50% 정도 빠르다고 알려져 있다.
과정2-1. HTML 파싱과 DOM 생성
브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다. 순수한 텍스트인 HTML 문서를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 한다.
브라우저의 렌더링 엔진의 DOM 트리 생성 과정
- 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트(2진수)를 인터넷을 경유하여 응답한다.
- 브라우저 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받는다. 그리고 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식을 기준으로 문자열을 변환된다. 참고로 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 선언된 인코딩 방식은 content-type:text/html; charset=utf-8과 같이 응답 헤더에 담겨 응답된다. 브라우저는 이를 확인하고 문자열로 반환한다.
- 문자열로 반환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.
- 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다. 토큰의 내용에 따라 문서 노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
- HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML요소는 중첩 관계를 갖는다. 즉 HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트 뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함될 수 있다. 이때 HTML 요소간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 HTML 요소 간의 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부른다.
즉 DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.
트리 생성 과정의 핵심 포인트
1.서버의 HTML 파일이
브라우저의 요청에 의해 응답된다.
2.서버가 응답한 HTML문서를meta tag의 charset Attribute의 값으로 등록된 인코딩 방식 기준으로 문자열을 변환하고 브라우저는 이를 확인하고문자열로 반환한다.
3. 브라우저는 문자열로 반환된 HTML 문서를 읽어 들여 토큰화한다.
4. 토큰들을 객체로 변환하여 DOM을 구성하는 기본요소가 되는 노드를 생성한다.
5. 노드들은 HTML Element의 중첩 관계에 의해 트리 자료구조를 구성한다. 이러한 트리를 DOM이라 부른다.
과정2-2. CSS 파싱과 CSSOM 생성
DOM을 생성하는 과정에서 CSS를 생성하는 link tag,style tag를 만나면 DOM 생성을 일시 중지하고 link tag의 href attribute에 지정된 css 파일을 서버에 요청하여 로드한 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 - 문자 - 토큰 - 노드 - DOM)을 거치며 해석하여 CSSOM을 생성한다. 이후 CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱을 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.
과정2-3. DOM과 CSSOM의 Rendor tree로 결합
렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML,CSS를 파싱하여 DOM,CSSOM을 생성하고 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.
렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조이기에, 브라우저 화면에 렌더링 되지 않는 노드와 CSS에 의해 비표시 되는 노드들은 포함하지 않는다. 다시 말해, 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.
렌더링 되지 않는 노드, CSS에 의해 비표시 되는 노드
렌더링 되지 않는 노드들은 meta , link, script tag등 정보를 포함한 tag들을 예로 들 수 있으며, CSS에 의해 비표시 되는 노드는 display:none을 예로 들 수 있다.
이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃을 계산하는데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅처리에 입력된다.
HTML은
DOM tree을 생성하고 ,CSS는CSSOM tree을 생성한다. 그리고 DOM과 CSSOM은 합쳐Render tree를 생성하고 Render tree를 기반으로 화면의layout을 어떻게 그릴지 계산한 뒤painting한다.
중요한 점은, 이러한 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있다는 것이다. 반복해서 실행하는 경우는 다음과 같다.
- 자바스크립트에 의한 노드 추가 및 삭제될 때
- 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경될 때
- html요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는 스타일이 변경될 때
변경을 발생시키는 스타일- width/height
- margin
- padding
- border
- display
- position
- top/right/bottom/left
레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 비용이 많이 드는 작업이다. 따라서 가급적 리렌더링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.
자바스크립트 파싱과 실행
HTML 문서를 파싱한 결과물로서 생성된 DOM은 HTML 문서의 구조와 정보, HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 프로그래밍 인터페이스로서 DOM API를 제공하며 자바스크립트 코드에서 DOM API를 사용하면 이미 생성된 DOM을 동적으로 조작할 수 있다.
CSS의 link tag를 맞딱뜨림과 마찬가지로 렌더링 엔진은 HTML을 순차적으로 파싱하며 DOM을 생성하다가 자바스크립트 파일을 로드하는 script 태그나, 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 script tag를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
그리고 script tag의 src attribute에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 로드한 자바스크립트 파일이나 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘긴다. 이후 자바스크립트 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 파싱을 시작하여 DOM 생성을 재개한다.
자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다. 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저 수준 언어로 변환하고 실행하는 역할을 한다. 자바스크립트 엔진은 다양한 종류가 있으며 모든 자바스크립트 엔진은 ECMAScript 사양을 준수한다. 렌더링 엔진으로부터 제어권을 넘겨받은 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하기 시작한다. 렌더링 엔진이 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하듯이 자바스크립트 엔진은 자바스크립트를 해석하여 추상적 구문 트리를 생성한다. 그리고 추상적 구문 트리를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.
토크나이징
단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석하여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.파싱
토큰들의 집합을 구문분석하여 추상적 구문 트리를 생성한다.
추상적 구문 트리는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조다.추상적 구문 트리는 인터프리터나 컴파일러만이 사용 할 수 있는 것은 아니다.바이트코드 생성과 실행
파싱의 결과물로서 생성된 추상적 구문 트리는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행된다. 참고로 V8엔진의 경우 자주 사용되는 코드는 터보팬이라 불리는 컴파일러에 의해 최적화된 머신 코드로 컴파일되어 성능을 최적화한다. 만약 코드의 사용 빈도가 적어지면 다시 디옵티마이징하기도 한다.
리플로우와 리페인트
자바스크립트 코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경된다. 이때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다. 이를 리플로우,리페인트라 한다.
리플로우는 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.
리페인트는 재결합된 렌더 트리르 기반으로 다시 페인트를 하는 것을 말한다.
따라서 리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니다. 레이아웃에 영향이 없는 변경은 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.
자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단
렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 병렬적으로 파싱을 수행하지 않고 직렬적으로 파싱을 수행한다.
브라우저는 동기적으로, 위에서 아래 방향으로 순차적으로 HTML,CSS,JS를 파싱하고 실행한다. 이것은 script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹되어 DOM 생성이 지연될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 script 태그의 위치는 중요한 의미를 갖는다.
