JavaScript의 비동기 처리 동작 방식

#JavaScript

박효진 (@gywlsp)

2022년 02월 21일

이 글은 동기 처리와 비동기 처리의 차이, JavaScript의 비동기 처리를 가능하게 해주는 태스크 큐와 이벤트 루프에 대해 설명한다.

동기 처리와 비동기 처리

자바스크립트 엔진은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 그래서 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행할 경우 블로킹(작업 중단)이 발생한다.

현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기(synchronous) 처리라고 한다. 동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있다.

현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식을 비동기(asynchronous) 처리라고 한다. 비동기 처리 방식은 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하므로 블로킹이 발생하지 않는다는 장점이 있지만, 태스크의 실행 순서가 보장되지 않는 단점이 있다.

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

태스크 큐와 이벤트 루프

자바스크립트 엔진은 단순히 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행할 뿐이다. 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 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 큐는 setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다. 태스크 큐와는 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백함수가 일시적으로 보관되는 마이크로태스크 큐도 존재한다.

이벤트 루프는 콜 스택에 현재 실행 중인 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수(콜백 함수, 실행 컨텍스트)가 있는지 반복해서 확인한다. 만약 콜 스택이 비어있고 대기 중인 함수가 있다면 이벤트 루프는 순차적(FIFO)으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. 이때 콜 스택으로 이동한 함수는 실행된다.

동작 방식 이해하기

위의 정보를 바탕으로 브라우저 환경에서 다음 예제가 어떻게 동작할지 살펴보자. foo 함수와 bar 함수 중에서 먼저 실행될 함수는 무엇일까?

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

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

setTimeout(foo, 0); // 0초(실제는 4ms) 후에 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 최상위 실행 컨텍스트가 된다.
  3. 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.

  4. 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다.

    1. 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백함수 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 브라우저에 의해 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 된다. 지연 시간 이후에 콜백 함수가 태스크 큐에 푸시되어 대기하게 되지만 콜 스택이 비어야 호출되므로, setTimeout 함수의 콜백 함수가 정확히 지연 시간 후에 호출된다는 보장은 없다.
    2. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 최상위 실행 컨텍스트가 된다. 이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과했다면 foo 함수는 아직 태스크 큐에서 대기 중이다.
  5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝된다. 이로서 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않게 된다.
  6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어있음이 감지되고, 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 푸시된다. 이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다.

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

참고

  • 모던 JavaScript Deep Dive

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