[JS] DeepDive(42) 비동기 프로그래밍

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동기 처리와 비동기 처리

함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성된다. 즉 함수는 호출된 순서대로 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택에 푸시되어 실행된다.

const foo = () => {};
const bar = () => {};

foo();
bar();

위처럼 JS 엔진은 함수의 실행순서를 스택으로 관리한다. JS 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 갖는다. 즉 함수를 실행할 수 있는 창구가 하나이며 동시에 2개 이상의 함수를 실행할 수 없다.

JS 엔진이 싱글 스레드 방식으로 동작하기 때문에 시간이 걸리는 태스크를 실행하면 블로킹이 발생한다. 아래 sleep 함수를 구현해본 예제를 보자

// sleep 함수는 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출한다.
function sleep(func, delay) {
  // Date.now()는 현재 시간을 숫자(ms)로 반환한다.("30.2.1. Date.now" 참고)
  const delayUntil = Date.now() + delay;

  // 현재 시간(Date.now())에 delay를 더한 delayUntil이 현재 시간보다 작으면 계속 반복한다.
  while (Date.now() < delayUntil);
  // 일정 시간(delay)이 경과한 이후에 콜백 함수(func)를 호출한다.
  func();
}

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

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

// sleep 함수는 3초 이상 실행된다..
sleep(foo, 3 * 1000);
// bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 블로킹된다.
bar();
// (3초 경과 후) foo 호출 -> bar 호출

위 예제를 실행하면 3초 후에 foo 함수가 호출된다. 즉 sleep함수의 실행이 종료된 이후 bar 함수가 실행되기 때문이다. 이러한 방식은 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만 시간이 오래 걸리는 태스크가 종료할 때까지 타 작업들이 블로킹된다는 단점이 있다.

위 예제를 setTimeout으로 작성해보자.

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

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

// 타이머 함수 setTimeout은 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수 foo를 호출한다.
// 타이머 함수 setTimeout은 bar 함수를 블로킹하지 않는다.
setTimeout(foo, 3 * 1000);
bar();
// bar 호출 -> (3초 경과 후) foo 호출

setTimeout 함수도 sleep함수와 유사하게 일정 시간이 지난 이후에 콜백함수를 호출한다. 단 setTimeout 함수 이후의 태스크를 블로킹하지 않고 곧바로 실행하며 이런 실행 방식을 비동기 처리라고 한다.

JS에서는 타이머함수,HTTP요청 , 이벤트 핸들러를 비동기 방식으로 동작하게 한다.

이벤트 루프와 태스크 큐

계속 강조하고 있지만 JS는 싱글스레드 방식으로 동작한다. JS 자체는 한번에 하나의 태스크만 처리할 수 있다는 것이다. 하지만 브라우저의 동작을 보면 많은 동작이 동시에 처리되는 것처러 믄껴진다.

HTML 요소가 애니메이션 효과를 통해 움직이면서 이벤트를 처리하거나 HTTP요청을 통해 데이터를 받아오면서 렌더링되기도 한다. 이러한 JS의 동시성을 지원해주는 것이 이벤트 루프이다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장된 기능 중 하나이다.

V8 JS 엔진을 비롯한 대부분 JS엔진은 콜스택 영역과 힙 영역으로 구분된다.

콜 스택

- 소스 코드 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조

- 함수를 호출되면 콜 스택에 푸시되어 순차적으로 실행된다.

- JS엔진은 하나의 콜 스택을 사용한다.

힙

- 객체가 저장되늰 메모리 공간이며 실행 컨택스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.

- 메모리에 저장하려면 메모리 공간의 크기르 ㄹ결정해야 한다.

- 객체의 경우 크기가 정해져 있지 않아 메모리 공간의 크기를 동적할당 해줘야 하며 따라서 객체의 메모리 공간인 힙은 구조화 되어있지 않다.

JS 엔진은 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행하며 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 JS을 구동하는 환경이 브라우저나 Node.js에서 담당한다.

setTimeout의 콜백 함수의 평가 및 실행은 JS 엔진이 담당하지만 호출 스케줄링을위한 타이머 설정과 콜백함수 등록은 브라우저나 Node.js가 담당하게 되는 것이다.

태스크 큐

- setTImeout과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 혹은 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역

- 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 마이크로태스크 큐도 존재한다.

이벤트 루프

- 콜 스택에 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 있는지, 태스크 큐에 대기중인 함수가 있는지 반복해서 확인

- 만약 콜 스택이 비어있고 태스크 큐에 대기중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적으로 태스크 큐에 대기중인 함수를 콜 스택으로 옮긴다.

- 즉 태스크 큐의 일시 보관된 함수들은 비동기처리 방식으로 동작한다.

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

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

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

1. 전역코드가 평가되어 실행 컨텍스트 생성되고 콜 스택에 푸시된다.

2. 전역코드가 실행되기 전에 setTimeout 함수가 호출된다. setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜스택에 푸시되어 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 된다.

3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백함수를 호출 스케줄링하고 콜스택에서 팝된다.

4. 브라우저가 실행되는 4-1과 JS엔진이 실행되는 4-2는 동시 실행된다.

4.1 브라우저는 타이머의 만료를 기다리는데 setTimeout함수의 지연시간 4ms이하이면 4ms로 지정되어 4ms이후 콜백함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 즉 setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백함수가 정확한 지연시간 후에 호출된다는 보장은 없다. 지연시간 이후에 태스크 큐에 푸시되지만 콜스택이 비어있지 않은경우 대기하기에 약간의 시간차가 발생할 수 있다.

4.2 bar함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 된다.

5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝되며 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않는다.

6. 이벤트 루프에 으이해서 콜 스택이 비어있다면 foo가 콜 스택에 푸시된다.

여기서 중요한 부분을 알 수 있다.

JS엔진은 싱글 스레드 방식으로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.