[필수지식] 브라우저 렌더링 과정

Yongjin·2021년 9월 19일

Brower Browser Rendering rendering 브라우저 렌더링

필수지식

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대부분의 프로그래밍 언어는 운영체제(OS, Operating System)나 가상 머신(VM, Virtual Machine) 위에서 실행된다.
하지만 웹 애플리케이션의 클라이언트 사이드 자바스크립트의 경우, 브라우저 환경에서 HTML, CSS 와 함께 실행된다.
따라서, 브라우저가 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 텍스트 문서를 어떻게 파싱하여 브라우저에 렌더링하는 과정을 이해할 필요성이 있다.

이 글에서는 브라우저 렌더링 과정을 정리해보려고 한다.

렌더링(Rendering) : HTML, CSS, JS 로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것

파싱(Parsing) : 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 문서를 읽어 들여 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해하고, 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 구조의 자료구조인 파스 트리(parse tree/syntax tree)를 생성하는 일련의 과정

브라우저 렌더링 과정

브라우저의 렌더링 과정은 다음 순서를 따른다.

브라우저는 렌더링에 필요한 리소스(HTML, CSS, JS, Image, font 등)를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML 과 CSS 를 파싱하여 DOM 과 CSSOM 을 생성하고 이들로부터 렌더 트리를 생성한다.
브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하여 바이트코드로 변환하여 실행한다. 이때 자바스크립트는 DOM API 를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
4, 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

request와 response

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스HTML, CSS, JavaScript 등의 정적 파일 또는 서버가 동적으로 생성한 데이터를 서버에 요청(requset)하고 서버로부터 응답(response)받아 브라우저에 렌더링하는 것이다.

렌더링에 필요한 리소스는 모두 서버에 존재하므로 필요한 리소스를 서버에 요청하여 서버가 응답한 리소스를 파싱하여 렌더링한다.

HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다. 순수한 텍스트인 HTML 문서를 브라우저에 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조로 변환하여 메모리에 저장해야 한다.

예를 들어, 아래와 같은 index.html이 서버로부터 응답되었다고 가정하자.

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8">
    <link rel="stylesheet" href="style.css">
  </head>
<body>
  <ul>
    <li id="apple">Apple</li>
    <li id="banana">Banana</li>
    <li id="orange">Orange</li>
  </ul>
  <script src="app.js"></script>
</body>
</html>

브라우저의 렌더링 엔진은 아래의 그림과 같은 과정을 통해 응답받은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM(Document Object Model)을 생성한다.

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.
브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받는다. 그리고 응답한 바이트 형태의 HTML 문서는 meta태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식(예: UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환된다. 참고로 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 선언된 인코딩 방식(예: UTF-8)은 content-type: text/html; charset=utf-8과 같이 응답 헤더(response header)에 담겨 응답된다. 브라우저는 이를 확인하고 문자열로 반환한다.
문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 토큰문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위으로 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 HTML 요소는 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 요소 간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 HTML 요소 간의 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM(Document Object Model)이라 부른다.

즉, DOM은 HTML 문서를 파싱한 결과물이다.

CSS 파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성해 나간다. DOM을 생성하다가 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청하여 응답받는다. 응답받은 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정을 거치며 파싱하여 CSSOM(CSS Object Model)을 생성한다.
CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 지점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

앞의 index.html에는 CSS 파일을 로드하는 link 태그가 있다.
렌더링 엔진은 meta 태그까지 HTML을 순차적으로 해석한 다음, link 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단하고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청한다.
다음과 같은 파일이 서버로부터 응답되었다고 가정하자.

body {
  font-size: 18px;
}
ul {
  list-style-type: none;
}

위에서 설명했던대로, 서버로부터 CSS 파일이 응답되면 렌더링 엔진은 HTML과 동일한 해석 과정을 거쳐 CSS를 파싱하여 CSSOM을 생성한다.

CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성된다. 위 예제에서 body 요소에 적용된 font-size 프로퍼티와 ul 요소에 적용한 list-style-type 프로퍼티는 모든 li 요소에 상속된다. 이러한 상속 관계가 반영되어 다음과 같은 CSSOM 이 생성된다.

이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)를 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅(painting) 처리에 입력된다.

렌더 트리 생성

렌더링 엔진은 서버로부터 응답한 HTML과 CSS 를 파싱하여 각각 DOM과 CSSOM 를 생성한다.
생성된 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더트리(render tree)로 결합된다.

렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조다. 따라서 브라우저 화면에 렌더링되지 않는 노드 meta 태그, script 태그 등 와 CSS 에 의해 비표시 display: none 되는 노드들은 포함하지 않는다.

즉, 렌더 트리는 브라우저 화면에 렌더링되는 노드만으로 구성된다.

이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는 데 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.

브라우저의 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있다. 예를 들어 다음과 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.

자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트(viewport) 크기 변경
HTML 요소의 레이아웃(위치, 크기)에 변경을 발생시키는 요소 width/height, margin, padding, border, display, position, top/right/bottom/left 등의 스타일 변경

리렌더링 레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 은 비용이 많이 드는, 성능에 악용향을 주는 작업이기 때문에 리렌더링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.

자바스크립트 파싱과 실행

CSS 파싱 과정과 동일하게 렌더링 엔진은 HTML 을 한 줄씩 순차적으로 파싱하며 DOM 을 생성해 나가다가 자바스크립트 파일을 로드하는 태그 script 태그나 자바스크립트 코드를 콘텐츠로 담은 script 태그 를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 자바스크립트 파일을 서버에 요청하여 응답받은 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 HTML 파싱을 시작하여 DOM 생성을 재개한다.

자바스크립트 파싱과 실행은 브라우저의 렌더링 엔진이 아닌 자바스크립트 엔진이 처리한다.

자바 스크립트 엔진으로는 구글 크롬, Node.js의 V8 엔진, 파이어폭스의 SpiderMonkey, 사파리의 JavaScriptCore 등 다양한 종류가 있으며, 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 AST(Abstract Syntax Tree)를 생성하고, 이를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트를 생성하여 실행한다.

토크나이징 : 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석lexical analysis하여 문법적 의미를 갖는 최소 단위인 토큰들로 분해하는 것

파싱 : 토큰들을 구문 분석syntactic anaysis하여 AST를 생성한다.

리플로우와 리페인트

자바스크립트 코드에 DOM 이나 CSSOM 을 변경하는 DOM API 가 사용된 경우 DOM 이나 CSSOM 이 변경된다.

이때 변경된 DOM 과 CSSOM 은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다.

이를 리플로우(reflow), 리페인트(repaint)라 한다.

리플로우 : 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 말하며 레이아웃에 영향을 주는 변경 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 이 발생한 경우에 실행

리페인트 : 재결합한 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트하는 것

리플로우와 리페인트는 순차적으로 동시에 실행되는 것이 아니다. 레이아웃에 영향이 없는 경우, 리플로우 없이 리페인트만 실행된다.

references

블로그 - 브라우저의 렌더링 원리
블로그 - 브라우저는 어떻게 렌더링 될까
블로그 - 브라우저 렌더링 과정
모던 자바스크립트 - 브라우저 동작 원리
네이버 D2 - 브라우저는 어떻게 동작하는가

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