4-5. 이벤트 루프

강연주·2024년 10월 27일

EventLoop JavaScript 기술면접 이벤트루프

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27. Javascript event loop 설명

🌚 이벤트 루프 구조, 동작 원리 더 보기

이벤트 루프란?

💛 이벤트 루프와 비동기의 이해

(아래 내용은 자바스크립트 런타임 중 가장 유명한 v8을 기준으로 작성됐다.)

먼저 이벤트 루프는 ECMAScript(자바스크립트 표준)에 나와 있는 내용은 아니다. 이벤트 루프란 자바스크립트 런타임 외부에서 자바스크립트의 비동기 실행을 돕기 위해 만들어진 장치라 볼 수 있다. Spider Monkey 같은 현대의 자바스크립트 런타임 엔진에는 자바스크립트 코드를 효과적으로 실행하기 위한 여러 가지 장치들이 마련돼 있다.

🪀 호출 스택과 이벤트 루프

호출 스택(Call Stack)은 자바스크립트에서 수행해야 할 코드나 함수를 순차적으로 담아두는 스택이다.

🖥️ function bar() {
  console.log("bar");
}

function baz() {
  console.log("baz");
}

function foo() {
  console.log("foo");
  bar()
  baz()
}

foo()
// 이 코드는 foo를 호출하고,
// 내부에서 bar와 baz를 순차적으로 호출하는 구조이다.

foo()가 호출 스택에 먼저 들어간다.
foo() 내부에 console.log가 존재하므로 호출 스택에 들어간다.
2의 실행이 완료된 이후에 다음 코드로 넘어간다 (아직 foo()는 존재)
bar()가 호출 스택에 들어간다.
bar() 내부에 console.log가 존재하므로 호출 스택에 들어간다.
5의 실행이 완료된 이후에 다음 코드로 넘어간다. (아직 foo(), bar()는 존재)
더 이상 bar()에 남은 것이 없으므로 호출 스택에서 제거된다. (아직 foo()는 존재)
baz()가 호출 스택에 들어간다.
baz() 내부에 console.log가 존재하므로 호출 스택에 들어간다.
9의 실행이 완료된 이후에 다음 코드로 넘어간다. (아직 foo(), baz()는 존재)
더 이상 baz()에 남은 것이 없으므로 호출 스택에서 제거된다. (아직 foo()는 존재)
더 이상 foo()에 남은 것이 없으므로 호출 스택에서 제거된다.
이제 호출 스택이 완전히 비워졌다.

이 호출 스택이 비어 있는지 여부를 확인하는 것이 바로 이벤트 루프다. 이벤트 루프는 단순히 이벤트 루프만의 단일 스레드 내부에서, 이 호출 스택 내부에 수행해야 할 작업이 있는지 확인하고, 수행해야 할 코드가 있다면 자바스크립트 엔진을 이용해 실행한다. 한 가지 알아둘 것은, '코드를 실행하는 일'과 '호출 스택이 비어있는지 확인하는 일' 모두가 단일 스레드에서 일어난다는 점이다. 즉, 두 작업은 동시에 일어날 수 없으며 한 스레드에서 순차적으로 일어난다.

그렇다면 비동기 작업은 어떻게 실행될까?

🖥️ function bar() {
  console.log("bar");
}

function baz() {
  console.log("baz");
}

function foo() {
  console.log("foo");
  setTimeout(bar(), 0) // setTimeout만 추가했다.
  baz()
}

foo()

foo()가 먼저 호출 스택에 들어간다.
foo() 내부에 console.log가 존재하므로 호출 스택에 들어간다.
2의 실행이 완료된 이후에 다음 코드로 넘어간다. (아직 foo()는 존재)
setTimeout(bar(), 0)이 호출 스택에 들어간다.
4번에 대해 타이머 이벤트가 실행되며 태스크 큐로 들어가고, 그 대신 바로 호출 스택에서 제거된다.
baz()가 호출 스택에 들어간다.
baz() 내부에 console.log가 존재하므로 호출 스택에 들어간다
7의 실행이 완료된 이후에 다음 코드로 넘어간다. (아직 foo(), baz()는 존재)
더 이상 baz()에 남은 것이 없으므로 호출 스택에서 제거된다. (아직 foo()는 존재)
더 이상 foo()에 남은 것이 없으므로 호출 스택에서 제거된다.
이제 호출 스택이 완전히 비워졌다.
이벤트 루프가 호출 스택이 비워져 있음을 확인했다. 그리고 태스크 큐를 확인하니 4번에 들얼갔던 내용이 있어 bar()를 호출 스택에 들여보낸다.
bar() 내부에 console.log가 존재하므로 호출 스택에 들어간다.
13의 실행이 끝나고, 다음 코드로 넘어간다. (아직 bar() 존재)
더 이상 bar()에 남은 것이 없으므로 호출 스택에서 제거된다.

위 코드를 보면, setTimeout (() => {}, 0)이 정확히 0초 뒤에 실행됨을 보장하지 못한다는 것을 이해할 수 있다.

여기서부터는 태스크 큐라는 새로운 개념이 등장한다. 태스크 큐란, 실행해야 할 태스크의 집합을 의미한다. 이벤트 루프는 이러한 태스크 큐를 한 개 이상 가지고 있다. 그리고 이름과는 다르게 태스크 큐는 자료 구조의 큐(queue)가 아니고 set 형태를 띠고 있다. 그 이유는, 선택된 큐 중에서 실행 가능한 가장 오래된 태스크를 가져와야 하기 때문이다. 자료구조 큐는 무조건 앞에 있는 것을 FIFO(First In First Out) 형식으로 꺼내와야 하지만 태스크 큐는 그렇지 않다. 태스크 큐에서 의미하는 '실행해야 할 태스크'는 비동기 함수의 콜백이나 이벤트 핸들러 등을 의미한다.

즉, 이벤트 루프의 역할은, 호출 스택에 실행 중인 코드가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있는지 반복해서 확인하기이다. 호출 스택이 비었다면 태스크 큐에 대기 중인 작업이 있는지 확인하고, 이 작업을 실행 가능한 오래된 것부터 순차적으로 꺼내와서 실행하게 된다. 이 작업 또한 마찬가지로 태스크 큐가 빌 때까지 이루어진다.

❓실행 가능한 오래된 것부터 순차적으로 꺼내오는 것과 FIFO가 같은 말 아닌가?

그렇다면 마지막으로 궁금한 것은, 저 비동기 함수는 누가 수행하느냐이다. n초 뒤에 setTimeout을 요청하는 작업은 누가 처리할까? fetch를 기반으로 실행되는 네트워크 요청은 누가 보내고 응답을 받을 것인가? 이러한 작업들은 모두 자바스크립트 코드가 동기식으로 실행되는 메인 스레드가 아닌, 태스크 큐가 할당되는 별도의 스레드에서 수행된다 이 별도의 스레드에서 태스크 큐에 작업을 할당해 처리하는 것ㅇ른 부라우저나 Node.js의 역할이다. 즉, 자바스크립트 코드 실행은 싱글 스레드에서 이루어지지만, 이러한 외부 Web API 등은 모두 자바스크립트 코드 외부에서 실행되고 콜백이 태스크 큐로 들어가는 것이다.
❓비동기의 콜백 함수가 태스크 큐로 들어가서 대기하다가 나중에 실행된다는 의미인가?
이벤트 루프는 호출 스택이 비고, 콜백이 실행 가능한 때가 오면이 것을 꺼내 수행하는 역할을 하는 것ㄹ이다. 만약 이러한 작업들도 모두 자바스크립트 코드가 실행되는 메인 스레드에서만 이루어진다면 절대로 비동기 작업을 수행할 수 없을 것이다.

🪀 태스크 큐와 마이크로 태스크 큐

태스크 큐와 다르게, 마이크로 태스크 큐라는 것도 있다. 이벤트 루프는 하나의 마이크로 태스크 큐를 갖고 있는데, 기존의 태스크 큐와는 다른 태스크를 처리한다. 여기에 들어가는 마이크로 태스크에는 대표적으로 Promise가 있다. 이 마이크로 태스크 큐는 기존 태스크 큐보다 우선권을 갖는다. 즉, setTimeout과 setIntervals은 Promise보다 늦게 실행된다. 명세에 따르면, 마이크로 태스크 큐가 빌 때까지는 기존의 태스크 큐의 실행은 뒤로 미루어진다.

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

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

function baz() {
  console.log("baz");
}

setTimeout(foo, 0);

Promise.resolve().then(bar).then(baz);

위 코드를 실행하면 bar, baz, foo 순으로 실행된다. Promise가 우선권이 있음을 알 수 있다.

각 태스크에 들어가는 대표적인 작업은 다음과 같다.

태스크 큐 : setTimeout, setInterval, setImmediate
마이크로 태스크 큐 : process.nextTick, Promises, queueMicroTask, MutationObserver

그렇다면 렌더링은 언제 실행될까? 태스크일까 마이크로 태스크 큐일까? 태스크 큐를 실행하기에 앞서 먼저 마이크로 태스크 큐를 실행하고, 이 마이크로 태스크 큐를 실행한 뒤에 렌더링이 일어난다. 각 마이크로 태스크 큐 작업이 끝날 때마다 한 번씩 렌더링할 기회를 얻게 된다.

🖥️ <html>
  <body>
    <ul>
      <li>동기 코드: <button id="sync">0</button></li>
      <li>태스크: <button id="macrotask">0</button></li>
      <li>마이크로 태스크: <button id="microtask">0</button></li>
    </ul>
    <button id="macro_micro">모두 동시 실행</button>
  </body>

  <script>

    const button = document.getElementById('run')
    const sync = document.getElementById('sync')
    const macrotask = document.getElementById('macrotask')
    const microtask = document.getElementById('microtask')

    const macro_micro = document.getElementById('macro_micro')
  
  // 동기 코드로 버튼에 1부터 렌더링

sync.addEventListener('click', function () {
  for (let i = 0; i <= 100000; i++) {
    setTimeout(() => {
      macrotask.innerHTML = i
    }, 0)
  }
})

// queueMicrotask로 마이크로 태스크 큐에 넣어서 1부터 렌더링

microtask.addEventListener('click', function() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    queueMicrotask(() => {
      microtask.innerHTML = i;
    })
  }
})

macro_micro.addEventListener('click', function() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    sync.innerHTML = i;

    setTimeout(() => {
      macrotask.innerHTML = i;
    }, 0)

    queueMicrotask(() => {
      microtask.innerHTML = i;
    })
  }
})
  </script>
</html>

위 예제 코드의 결과는 다음과 같다.

동기 코드는 해당 연산, 즉 100000까지 숫자가 올라가기 전까지는 렌더링이 일어나지 않다가, for문이 끝나야 비로소 렌더링 기회를 얻으며 100000이라는 숫자가 한 번에 나타난다.
태스크 큐(setTimeout)는 모든 setTimeout 콜백이 큐에 들어가기 전까지 잠깐의 대기 시간을 갖다가, 1부터 100000까지 순차적으로 렌더링되는 것을 볼 수 있다.
마이크로 태스크 큐(queueMicrotask)는 동기 코드와 마찬가지로, 렌더링이 전혀 일어나지 않다가 100000까지 다 끝난 이후에야 한 번에 렌더링이 일어난다.
모든 것을 동시에 실행했을 경우, 동기 코드와 마이크로 태스크 큐만 한 번에 100000까지 올라가고, 태스크 큐만 앞선 예제처럼 순차적으로 렌더링되는 것을 볼 수 있다.

이러한 작업 순서는 브라우저에 다음 리페인트 전에 콜백 함수 호출을 가능하게 하는 requestAnimationFrame으로도 확인할 수 있다.
❓requestAnimationFrame?

🖥️ console.log('a')

setTimeout(() => {
  console.log('b')
}, 0)

Promise.resolve().then(() => {
  console.log('c')
})

window.requestAnimationFrame(() => {
  console.log('d')
})

위 코드를 실행하면 a,c,d,b 순서로 출력된다. 브라우저에 렌더링하는 작업은 마이크로 태스크 큐와 태스크 큐 사이에서 일어나는 것이다.

결론적으로 동기 코드는 물론이고, 마이크로 태스크 역시 렌더링에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 만약 특정 렌더링이 자바스크립트 내 무거운 작업과 연관이 있다면 이를 어떤 식으로 분리해 사용자에게 좋은 애플리케이션 경험을 제공할지 고민해야 한다.

➡️ 자바스크립트 코드를 실행하는 것 자체는 싱글 스레드로 이루어져서 비동기를 처리하기 어렵지만, 자바스크립트 코드를 실행하는 것 이외에 태스크 큐, 이벤트 루프, 마이크로 태스크 큐, 브라우저/Node.js API 등이 적절한 생태계를 이루고 있기 때문에 비동기 이벤트 처리가 가능해진다.

( 출처 : 모던 리액트 Deep Dive, 김용찬, 위키북스 )

🪞 이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트의 특징 중 하나는 싱글 스레드, 즉 한 번에 하나의 태스크만 처리하는 방식으로 동작한다는 것이다. 하지만 브라우저의 동작 모습을 살펴보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다.

예를 들어, HTML 요소가 애니메이션 효과를 통해 움직이면서 이벤트를 처리하기도 하고, HTTP 요청을 통해 서버로부터 데이터를 가지고 오면서 렌더링하기도 한다. 이처럼 자바스크립트의 동시성(concurreny)을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프(event loop)다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나다.

구글의 V8 자바스크립트 엔진을 비롯한 대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분할 수 있다.

콜 스택(call stack)
: 소스코드(전역 코드나 함수 코드 등) 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택이 바로 콜 스택이다.
힙(heap)
: 힙은 객체가 저장되는 메모리 공간이다. 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다. 메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리 공간의 크기를 결정해야 한다. 객체는 원시 값과는 달리 크기가 정해져 있지 않으므로 할당해야 할 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정(동적 할당)해야 한다. (사실 원시 값도 객체인 실행 컨텍스트에 저장되므로 자바스크립트의 모든 값은 객체로 힙에 저장된다고 할 수 있다.) 따라서 객체가 저장되는 메모리 공간인 힙은 구조화되어 있지 않다는 특징이 있다.

이처럼 콜 스택과 힙으로 구성되어 있는 자바스크립트 엔진은 단순히 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행할 뿐이다. 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트의 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당한다.

예를 들어, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout의 콜백 함수의 평가와 실행은 자바스크립트 엔진이 담당하지만, 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정과 콜백 함수의 등록은 브라우저 또는 Node.js가 담당한다. 이를 위해 브라우저 환경은 태스크 큐와 이벤트 루프를 제공한다.

태스크 큐(task queue/event queue/callback queue)
: setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다. 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로태스크 큐도 존재한다.
이벤트 루프(event loop)
: 이벤트 루프는 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수(콜백 함수, 이벤트 핸들러 등)가 있는지 반복해서 확인한다. 만약 콜 스택이 비어 있고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적(FIFO, First In First Out)으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. 이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다. 즉, 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작한다.

브라우저 환경에서 아래 예제가 어떻게 동작지 살펴보자.
foo 함수와 bar 함수 중에서 먼저 실행될 함수는 무엇일까?

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

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

setTimeout(foo, 0); // 0초(실제로는 4ms) 후에 foo 함수가 호출된다.
bar();

전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨테스트가 생성되고 콜 스택에 푸시된다.
전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출된다. 이때 setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 브라우저의 Web API(호스트 객체)인 타이머 함수도 함수이므로 함수 실행 컨텍스트를 생성한다.
setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 이때 호출 스케줄링, 즉 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 푸시하는 것은 브라우저의 역할이다.
브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다.
4-1. 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 위 예제의 경우 지연 시간(delay)이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 지정된다. 따라서 4ms 후에 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 된다. 이 처리 또한 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 수행한다. 이처럼 setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백 함수는 정확히 지연 시간 후에 호출된다는 보장은 없다. 지연 시간 이후에 콜백 함수가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 되지만 콜 스택이 비어야 호출되므로 약간의 시간차가 발생할 수 있기 때문이다.
4-2. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과했다면 foo 함수는 아직 태스크 큐에서 대기 중이다.
전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝된다. 이로써 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 전재하지 않게 된다.
이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어 있음이 감지되고 태스크 큐에서 대기 중인 콜백함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 푸시된다. 다시 말해, 콜백 함수 foo의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다.

이처럼 비동기 함수인 setTimout의 콜백 함수는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가, 콜 스택이 비게 되면, 즉 전역 코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료하면 비로소 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 이때 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저가 아니라 브라우저 내장된 자바스크립트 엔진이라는 것에 주의해야 한다. 만약 모든 자바스크립트 코드가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작한다면, 자바스크립트는 비동기로 동작할 수 없다. 즉, 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

예를 들어, setTimeout의 함수의 모든 처리가 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드로 수행된다고 가정해 보자. 이때 setTimeout 함수의 호출 스케줄링을 위한 타이머 설정도 자바스크립트 엔진에서 수행될 것이므로 대기 시간 동안 어떤 태스크도 실행할 수 없다(앞서 본 sleep 함수).
즉, setTimeout 함수의 타이머 설정까지 자바스크립트 엔진에서 싱글 스레드 방식으로 동작해서는 비동기로 동작할 수 없다.

브라우저는 자바스크립트 엔진 외에도 렌더링 엔진과 Web API를 제공한다. Web API는 ECMAScript 사양에 정의된 함수가 아니라, 브라우저에서 제공하는 API이며, DOM API와 타이머 함수, HTTP 요청(Ajax)과 같은 비동기 처리를 포함한다. 위 예제에서 살펴봤듯이 브라우저의 Web API인 setTimeout 함수가 호출되면 자바스크립트 엔진의 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

하지만 setTimeout 함수의 두 가지 기능인 타이머 설정과, 타이머가 만료하면 콜백 함수를 태스크 큐에 등록하는 처리는 자바스크립트 엔진이 아니라 브라우저가 실행한다. 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다. 이처럼 브라우저와 자바스크립트 엔진이 협력하여 비동기 함수인 setTimeout 함수를 실행한다.

⛑️ 이벤트 루프와 태스크 큐

( 출처 : 모던 자바스크립트 Deep Dive, 이웅모, 위키북스 )

강연주

아무튼, 개발자

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