[JavaScript] 실행 컨텍스트 이해하기

들어가며

자바스크립트의 동작을 이해하기 위해서는 실행 컨텍스트에 대한 이해가 무조건 선행되어야 한다고 생각한다. rough하게는 알고 있었지만 deep하게는 알지 못했다. 실행 컨텍스트에 한번 집중해보자!

실행 컨텍스트가 무엇인지 알아보기 위해서는 역으로 자바스크립트의 동작 순서에 대해 알 필요가 있다.

소스코드의 평가와 실행

자바스크립트의 모든 소스코드는 실행에 앞서 평가 과정을 거치며 코드를 실행하기 위한 준비를 한다.

자바스크립트 엔진은

1. 소스코드의 평가
2. 소스코드의 실행

과정으로 나누어 처리한다.

소스코드의 평가

소스코드의 평가 과정에서는 다음과 같은 일들이 일어난다.

• 실행 컨텍스트 생성
• 변수 및 함수의 선언문만 먼저 실행
  이후 생성된 식별자를 키로 가지는 값들을 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록

소스코드의 실행

소스코드의 평가 과정이 끝나고 나면 소스코드가 실행된다.

• 선언문 제외 순차적으로 실행
• 실행에 필요한 정보를 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색
  변수값 변경 등 소스코드 실행 결과는 다시 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 저장
  

동작 과정 자세히 살펴보기

그럼 코드와 함께 이런 소스코드의 평가와 실행이 어떻게 진행되는지 자세히 살펴보자.

const x = 1;
const y = 2;

function foo(z) {
  const x = 10;
  const y = 20;
  
  console.log(x+y+z);
}

foo(30);

console.log(x+y)

위와 같은 코드에서 가장 먼저 일어나는 일은 전역 코드 평가이다.

1. 전역 코드 평가

현재 최상위 전역 스코프에 변수와 함수가 정의되어 있다.

const x = 1;
const y = 2;

function foo(z) {
  const x = 10;
  const y = 20;
  
  console.log(x+y+z);
}

이 중에서도 변수 선언문과 함수 선언문이 먼저 실행되어 전역 스코프에 등록된다.

const x;
const y;

function foo(z) {}

2. 전역 코드 실행

전역 코드 실행 과정에서는 선언문을 제외한 로직들이 순차적으로 실행된다.

// 선언된 변수에 값 할당
x = 1;
y = 2;

// 선언된 함수 foo에 함수 객체를 할당
function foo(z) {
  const x = 10;
  const y = 20;
  
  console.log(x+y+z);
}

foo(30);

console.log(x+y)

선언된 변수와 함수에 값을 할당해준다. 그러다 foo 함수의 실행문(함수가 호출됨)을 만나게 되면 전역 코드의 실행을 일시 중지하고 함수의 코드를 평가하게 된다.

3. 함수 코드 평가

이때 함수 코드에 존재하는 매개변수와 지역변수 선언문을 실행하고 지역 스코프에 등록한다.

function foo(z) {
  const x;
  const y;
}

매개변수 z , 지역변수 x , y 가 선언되어 스코프에 등록되었을 것이다.

4. 함수 코드 실행

이후 전역 코드와 동일하게 함수 코드도 실행된다. 만약 함수 코드의 실행 도중 또 다른 함수의 실행문을 만났다면 동일하게 함수 코드의 평가와 실행이 이루어질 것이다.

function foo(z) {
  const x = 10;
  const y = 20;
  
  console.log(x+y+z);
}

여기서는 선언된 변수들에 값이 할당되고 console.log 메서드가 호출된다. 이때 console 이라는 식별자를 스코프에서 검색하게 되고, 함수 스코프 -> 전역 스코프로 올라가며 검색한다. 이후 console 객체를 찾으면 log 프로퍼티를 console 객체의 프로토타입 체인에서 검색한다.

log 메서드까지 찾았다면, console.log 메서드에 인수로 전달된 표현식이 평가된다. 표현식 내부에 있는 식별자들이 스코프 체인을 통해 검색되고 코드가 실행된다.

함수 코드의 실행이 이렇게 종료되고 난 후에는 함수 코드 실행 과정이 종료되고 함수 호출 이전으로 돌아가 전역 코드 실행을 계속한다.

전역 코드에 있는

console.log(x+y)

이 부분이 마저 실행될 것이다.

실행 컨텍스트란?

실행 컨텍스트는 소스 코드를 실행하는 데 필요한 환경을 제공하고, 코드의 실행 결과를 실제로 관리하는 영역이다. 그리고 크게 렉시컬 환경과 실행 컨텍스트 스택을 통해 이런 일들을 수행한다.

실행 컨텍스트는 렉시컬 환경을 통해

• 선언에 의해 생성된 모든 식별자를 스코프를 구분해 등록하고 식별자에 바인딩된 값의 변화를 지속적으로 관리한다.
• 중첩 관계에 의해 스코프 체인을 형성한다. (스코프 체인을 통해 상위 스코프로 이동하며 식별자를 검색할 수 있도록 한다.)

그리고 실행 컨텍스트 스택을 통해

• 실행 중인 코드의 실행 순서를 변경할 수 있어야 하고 다시 되돌아갈 수 있게 한다.

실행 컨텍스트 스택과 렉시컬 환경에 대해 더 자세히 알아보자!

실행 컨텍스트 스택

위에서 말했듯, 코드의 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택을 통해서 제어한다.

const x = 1;

function foo() {
  const y = 2;
  
  function bar() {
    const z = 3;
    console.log(x+y+z);
  }
  
  bar();
}

foo(); // 6

자바스크립트 엔진은 소스 코드를 평가할 때 실행 컨텍스트를 생성한다.
따라서 위와 같은 코드는 다음 순서대로 진행될 것이다.

마지막 과정에서 전역 코드의 실행이 종료되면 전역 실행 컨텍스트도 스택에서 pop되며 스택이 비게 된다. 여기서 알 수 있는 점은 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 있는 코드는 현재 실행 중이라는 것이다. 현재 실행 중인 실행 컨텍스트를 Running Execution Context 라고 한다.

렉시컬 환경

렉시컬 환경은

• 키와 값을 가지는 객체 형태의 스코프를 생성하여
• 식별자를 키로 등록하고
• 식별자에 바인딩된 값을 관리한다.

결국 책에서는 렉시컬 환경 === 렉시컬 스코프의 실체라고 이야기하고 있다.

앞서 살펴본 실행 컨텍스트 스택은 실행 컨텍스트라는 하나의 스택 요소를 담는 스택과 같은 느낌이라면, 렉시컬 환경은 실행 컨텍스트 내부를 이루는 개념이다.

실행 컨텍스트의 내부는 LexicalEnvironment (렉시컬 환경) 컴포넌트와 VariableEnvironment (변수 환경?) 컴포넌트로 구성되며 생성 초기에는 두 컴포넌트가 하나의 동일한 렉시컬 환경을 참조한다.

이후 몇 가지 상황을 만나면 VariableEnvironment 컴포넌트는 내용이 달라진다고 한다. 다만 책에서 렉시컬 환경을 설명할 때 일단 두 컴포넌트를 구분하지 않고 렉시컬 환경으로 통일해서 설명하니 그 위주로 공부했다.

실행 컨텍스트의 구조

실행 컨텍스트의 구조는 실행 컨텍스트가 생성되는 코드 평가 과정을 따라간다.

전역 코드의 평가 과정과 함수 코드의 평가 과정에서 발생하는 <실행 컨텍스트 생성> 절차들이다. 이 절차를 따라가며 실행 컨텍스트가 어떤 구조를 가지는지, 또 그 안에 있는 렉시컬 환경에는 어떤 값들이 저장되는지 살펴보자.

전역 실행 컨텍스트

var x = 1;
const y = 2;

function foo(a) {
  var x = 3;
  const y = 4;
  
  function bar(b) {
    const z = 5;
    console.log(a+b+x+y+z);
  }
  
  bar(10);
}

foo(20);

이 코드가 실행되는 것을 바탕으로 한다.

전역 실행 컨텍스트 생성

처음에 전역 실행 컨텍스트가 생성된다.

전역 렉시컬 환경 생성

그리고 이 전역 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경에 전역 렉시컬 환경이 바인딩된다.

전역 환경 레코드 생성

전역 렉시컬 환경은 전역 환경 레코드와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 이루어져 있다.

그리고 전역 환경 레코드는 "객체 환경 레코드" 와 "선언적 환경 레코드" 그리고 [[GlobalThisValue]] 로 이루어져 있다.

객체 환경 레코드 생성

가장 먼저 객체 환경 레코드가 생성된다. 객체 환경 레코드에는

• 기존 전역 객체가 관리하던 var 키워드로 선언한 전역 변수
  var 키워드로 선언한 전역 변수는 이때 undefined 로 초기화되며 호이스팅된다.
• 함수 선언문으로 정의한 전역 함수
  함수의 경우 함수 객체까지 즉시 할당되며 호이스팅된다.
• 빌트인 프로퍼티, 메서드, 객체

가 담긴다.

객체 환경 레코드는 BindingObject 라고 부르는 객체와 연결되는데, BindingObject === 전역 객체이다. 따라서 위에서 언급한 var 키워드로 선언한 전역 변수, 함수 선언문으로 정의한 전역 함수는 BindingObject 를 통해 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 된다.

선언적 환경 레코드 생성

이후 선언적 환경 레코드가 생성된다. var 키워드 이외로 선언한 전역 변수 (let 또는 const) 그리고 함수 선언문 이외로 선언한 전역 함수 등은 선언적 환경 레코드에 등록되고 관리된다.

이 친구들은 전역 객체의 프로퍼티가 아니고 개념적 블록 안에 존재한다. 따라서 window.y 와 같이 전역 객체의 프로퍼티로서 참조할 수 없다. 또 const 로 선언한 변수는 선언 단계와 초기화 단계가 분리되어 실행된다. (호이스팅 X) 따라서 평가 단계에서 선언만 되고 초기화는 되지 않아 런타임에 값 할당 로직에 도달하기 전까지는 참조가 불가능하다.

그래서 이렇게 const 로 선언한 변수는(let 도 마찬가지) 값 할당 전에 호출하면 ReferenceError 가 발생한다.

this 바인딩

이후 [[GlobalThisValue]] 에 this 가 바인딩된다.

외부 렉시컬 환경에 대한 참조

전역 렉시컬에서는 상위 스코프가 존재하지 않으므로 null 을 바인딩한다. 만약 상위 코드가 있으면 상위 코드의 렉시컬 환경이 바인딩된다.

코드 실행

이렇게 코드 평가 과정을 마치고 나면 코드가 실행된다. 이 시점에서 객체 환경 레코드와 선언적 환경 레코드의 변수에 값이 할당된다. 값이 할당되는 과정에서는 실행 중인 실행 컨텍스트 Lexical 환경의 환경 레코드에서 식별자를 검색한다. 어떤 식별자를 참조하면 되는지 결정하는 과정을 식별자 결정 과정이라고 한다. 실행 중인 환경 레코드에서 식별자를 찾지 못하면 상위 스코프로 이동해서 검색한다.

함수 실행 컨텍스트

함수 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경은 함수 환경 레코드만으로 구성되며, 전역 실행 컨텍스트와 달리 전역 객체와 바인딩되는 객체 환경 레코드를 가지지 않는다. 객체 환경 레코드는 전역 객체의 프로퍼티와 식별자를 연결하기 위해 전역 실행 컨텍스트에서만 사용되기 때문이다. 이 차이점 빼고는 거의 전역 실행 컨텍스트의 구조와 흡사하다.

함수 실행 컨텍스트 생성

함수의 실행 컨텍스트가 생성되어 실행 컨텍스트 스택에 push 된다.

함수 렉시컬 환경 생성

함수의 렉시컬 환경이 생성된다.

함수 환경 레코드 생성

이후 함수의 환경 레코드가 생성된다. 함수의 환경 레코드에는

• 매개변수
• arguments 객체
• 함수 내부에서 선언한 지역 변수와 중첩 함수
  가 등록 및 관리된다.

(그림에는 함수가 빠지긴 했지만)

this 바인딩

함수 환경 레코드의 [[ThisValue]] 내부 슬롯에 this 가 바인딩된다.

예제 코드에서 일반 호출 방식으로 호출되어쓰므로 this 는 window 를 가리킬 것이다.

외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 foo 함수 정의가 평가된 시점에 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경의 참조가 할당된다.

이건 쉽게 말하면 이 실행 컨텍스트가 쌓이게 될 현재 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 있는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 말하는 것이다. foo 함수의 경우 아래에 전역 실행 컨텍스트가 있기에 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 전역 렉시컬 환경의 참조가 할당된다.

자바스크립트는 함수를 어디서 호출했는지가 아닌 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정한다. 그리고 함수 객체는 자신이 정의된 스코프(상위 스코프)를 기억한다.

자바스크립트 엔진은 함수 정의를 평가하여 함수 객체를 생성할 때 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경(스택 최상위에 있는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경) - 즉 상위 스코프를 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]] 에 저장한다.

아무래도 [[Scopes]] 에서 저장하는 것 같긴 한데..

함수 코드 실행

코드가 실행되면서 값 할당문을 만나면 식별자 검색 과정이 일어나고 해당하는 식별자에 값이 할당되며 로직이 실행된다. 이후 다른 내부 함수 실행문을 만나면 또 같은 함수 코드 평가 과정이 이루어지게 된다.

이렇게 실행 컨텍스트의 구조와 렉시컬 환경에 대해 알아볼 수 있었다...

실행 컨텍스트와 블록 레벨 스코프

let 그리고 const 키워드로 선언한 변수는 모든 코드 블록(함수, if 문, for 문, while 문, try/catch 문 등)을 지역 스코프로 인정하는 블록 레벨 스코프를 따른다.

let x = 1;

if (true) {
  let x = 10;
  console.log(x);
}

console.log(x)

위 코드에서 if 문의 코드 블록 내에서 let 키워드로 변수가 선언되었을 때, if 문의 코드 블록이 실행되면 if 문의 코드 블록을 위한 블록 레벨 스코프를 생성해야 한다.

이때 이를 위해 선언적 환경 레코드를 갖는 렉시컬 환경을 새롭게 생성해 기존 전역 렉시컬 환경을 교체한다.

새롭게 생성된 if 문의 코드 블록을 위한 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 if 문이 실행되기 이전의 전역 렉시컬 환경을 가리킨다.

이게 뭔가 싶어서 또 그림으로 그려보면 다음과 같이 동작한다는 것을 이해할 수 있다.

원래는 이런 전역 렉시컬 환경이었다가, if 문 코드 블록이 실행되면

블록 렉시컬 환경을 만들어서 기존의 렉시컬 환경을 교체하고 기존의 렉시컬 환경을 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 참조한다.

마치며

그림을 그려 보는 게 확실하게 이해가 되는 것 같다! 힘들었지만... 그래도 아자스!

참고

JavaScript Deep Dive_ 이웅모