비동기 프로그래밍

동기 처리와 비동기 처리

함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성된다. 이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)에 푸시되고, 함수가 실행된다. 함수 실행이 종료되면 함수 실행 컨텍스트는 팝되어 스택에서 제거된다.

함수가 실행되려면 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시되어야 하며, 함수 실행 컨텍스트가 푸시되는 것은 바로 함수 실행의 시작을 의미한다. 함수가 호출된 순서대로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 함수 실행 컨텍스트가 실행 컨텍스트 스택에 푸시되기 때문이다.

자바스크립트 엔진은 하나의 실행 컨텍스트 스택을 갖는다. 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없으며 실행 중인 실행 컨텍스트를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 실행 대기중인 컨텍스트이다.

이처럼 자바스크립트 엔진은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있는 싱글 스레드(single thread) 방식으로 동작한다. 싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있기 때문에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹(blocking)이 발생한다.

동기 처리

일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수를 호출하는 sleep함수와 sleep 함수 이후에 호출되는 bar 함수의 예제를 살펴보자.

function sleep(func, delay) {
  const delayUntil = Date.now() + delay;
 
  while (Date.now() < delayUntil);
 
  func();
}
 
function foo() {
  console.log('foo');
}
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
sleep(foo, 3 * 1000);
bar();

결과 : (3초 후) foo 호출 → bar 호출
bar 함수는 sleep 함수 종료 이후 호출되므로 3초 이상 호출되지 못하고 블로킹된다.

이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료할 때 까지 다음 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기(synchronous)처리라고 한다.

비동기 처리

위 예제를 setTimeout을 사용하여 수정해보자.

function foo() {
  console.log('foo');
}
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
setTimeout(foo, 3 * 1000);
bar();

결과: bar 호출 → (3초 후) foo 호출
setTime함수는 위의 sleep 함수와 유사하게 일정 시간 경과 이후 콜백함수를 호출하지만, setTimeout 이후의 태스크를 블로킹 하지 않고 바로 실행한다.

이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라도 바로 다음 태스크를 실행하는 방식을 비동기(asynchronous)처리라고 한다.

이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트의 특징 중 하나는 싱글 스레드로 동작한다는 것이다. 싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 처리할 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 브라우저가 동작하는 것을 보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다.

이벤트루프

자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프(event loop)이다.

이벤트루프는 브라우저에 내장된 기능 중 하나이다. 브라우저 환경을 그림으로 표현하면 다음과 같다.

콜 스택과 힙으로 구성된 자바스크립트 엔진은 태스크가 요청되면 콜 스택을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행한다.
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.

브라우저 환경에서 다음 예제의 동작을 살펴보자.

function foo() {
  console.log('foo');
}
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
setTimeout(foo, 0);
bar();

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시된다.
2. setTimeout 함수가 호출된다. setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시된다.
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링 하고 종료되어 콜 스택에서 팝된다. 이때 호출 스케줄링(타이머 설정, 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 푸시)은 브라우저의 역할이다.
4. 브라우저의 수행과 자바스크립트 엔진의 수행은 병행 처리된다.
   1. 브라우저: 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다. 예제의 경우 지연 시간이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 지정된다.
   2. 자바스크립트 엔진: bar 함수가 호출되어 bar 함수 실행 컨텍스트가 콜 스택에 푸시된다. 이후 bar 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다.
5. 전역 코드 실행이 종료되어 전역 실행 컨텍스트가 팝되고, 콜 스택은 비게 된다.
6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어 있음이 감지되고 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 푸시된다. 이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 팝된다.

비동기 함수인 setTimeout의 콜백 함수는 태스크 큐에 푸시되어 대기하다가, 콜 스택이 비게 되면 콜 스택에 푸시되어 실행된다.

자바스크립트는 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 이때 싱글 스레드 방식으로 동작하는 것은 브라우저에 내장된 자바스크립트 엔진이다. 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

참고자료

모던 자바스크립트 Deep Dive 42장 비동기 프로그래밍 참조
이미지 출처: https://medium.com/@zlatkov/how-does-javascript-actually-work-part-1-b0bacc073cf