딥다이브 - 비동기 프로그래밍

42장 비동기 프로그래밍

42.1 동기 처리와 비동기 처리

실행 컨텍스트에서 살펴본 바와 같이 함수를 호출하면 함수 코드가 평가되고 실행 컨텍스트가 생성된다. 이때 생성된 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)에 푸시되고 함수 코드가 실행된다. 함수 코드 실행이 종료되면 실행 컨텍스트(콜 스택)에서 팝되어 제거된다.

다음 예제의 foo 함수와 bar 함수는 호출된 순서대로 실행 컨텍스트 스택에 푸시되어 실행된다.

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

foo();
bar();

실행 컨텍스트 스택에 함수 실행 컨텍스트가 푸시되는 것은 바로 함수 실행의 시작을 의미한다. 함수가 순차적으로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시되기 때문이다. 자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트를 갖는다. 이는 함수를 실행할 창구가 하나임을 의미하고 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없다는 것이다. “실행 중인 실행 컨텍스트”를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두 실행 대기 중인 태스크들이며, 자바스크립트 엔진은 하나의 태스크만 실행 할 수 있는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 이 때문에 처리 시간이 걸리는 태스크를 실행할 경우 블로킹(작업 중단)이 발생하는데 예를 들어, setTimeout 함수와 유사하게 일정 시간이 경과한 후 콜백 함수를 호출하는 sleep 함수를 구현해보자.

// sleep 함수는 일정 시간(delay)이 경과한 이후 콜백 함수(func)를 호출한다.
function sleep(func, delay) {
	// Date.now()는 현재 시간을 숫자(ms)로 반환한다.
	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 이후 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 예제의 sleep 함수는 3초 후에 foo 함수를 호출한다. 이때 bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후 호출되므로 3초 이상(foo 함수의 실행시간 + 3초) 호출되지 못하고 블로킹(작업 중단)된다.

이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음 실행할 태스크가 대기하는 방식을 동기 처리라고 한다. 동기 처리 방식은 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서의 보장이 장점이지만 앞선 태스크가 종료될 때까지 이후 태스크가 블로킹되는 단점이 있다.

위 예제를 타이머 함수인 setTimeout을 사용하여 수정해보자.

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

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

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

setTimeout 함수는 앞서 살펴본 sleep 함수와 유사하게 일정 시간 경과 후 콜백 함수를 호출하지만 setTimeout 함수는 이후의 태스크를 블로킹하지 않고 곧바로 실행한다. 이와 같이 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기 처리라고 한다.

동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하여 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있다. 비동기 처리 방식은 블로킹이 발생하지 않는 장점이 있지만 태스크 실행 순서가 보장되지 않는 단점이 있다.

타이머 함수인 setTimeout과 setInterval, HTTP 요청, 이벤트 핸들러는 비동기 처리방식으로 동작한다. 비동기 처리는 이벤트 루프와 태스크 큐와 깊은 관계가 있다.

42.2 이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트의 특징 중 하나는 싱글 스레드로 동작하는 것이며, 앞서 살펴본 것처럼 싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 처리할 수 있다. 하지만 브라우저가 동작하는 것을 보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다. 예를 들어, HTML 요소가 애니메이션 효과로 움직이며 이벤트 처리를 하기도하고, HTTP 요청으로 서버로부터 데이터를 가져오며 렌더링 하기도 한다.

이처럼 자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프다.

콜 스택 - 함수가 호출되면 실행 컨텍스트가 순차적으로 콜 스택에 푸시되어 순차 실행된다. 그래서 최상위 실행 컨텍스트가 종료되어 콜 스택에서 제거되기 전까지는 다른 태스크도 실행되지 않는다.

힙 - 객체가 저장되는 메모리 공간이다. 객체가 저장되는 메모리 공간인 힙은 구조화 되어 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 소스코드가 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 브라우저 또는 Node.js가 담당한다.

태스크 큐 - setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다.

이벤트 루프 - 콜 스택에 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있는지 반복해서 확인한다.

브라우저 환경에서 다음 예제가 어떻게 동작할지 살펴보자.

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

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

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

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시된다.
2. 전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출된다. 이때 setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 컨텍스트가 된다. 브라우저 Web API (호스트 객체)인 타이머 함수도 함수이므로 실행 컨텍스트를 생성한다.
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에 팝된다. 이때 호출 스케줄링, 즉 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 푸시하는 것은 브라우저의 역할이다.
4. 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다.4-2. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 컨텍스트가 된다. 이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과했다면 foo 함수는 아직 태스크 큐에서 대기 중이다.
5. 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 지연시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 지정된다. 따라서 4ms 후 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 된다. 이 처리 또한 자바스크립트 엔진이 아닌 브라우저가 수행한다.
6. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝된다. 이로서 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않는다.
7. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어 있음이 감지되고 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 푸시된다. 콜백 함수 foo함수의 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행중인 실행 컨텍스트가 된다. 이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다.