브라우저의 렌더링 과정 [모던 자바스크립트 Deep Dive 38장]

모던 자바스크립트 Deep Dive 38장 내용을 정리한 포스트입니다.

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브라우저는 다음과 같은 과정을 거쳐 렌더링을 수행한다.

브라우저는 HTML, CSS, Javascript, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답을 받는다.
브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstraction Syntax Tree)를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다.
렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.

🌟 요청과 응답

브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스를 서버에 요청하고 서버로부터 응답을 받아, 브라우저에 시각적으로 렌더링 하는 것이다.

브라우저의 렌더링 엔진은 HTML을 파싱하는 도중에 외부 리소스를 로드하는 태그, 즉 CSS 파일을 로드하는 link 태그, 이미지 파일을 로드하는 img 태그, JavaScript 파일을 로드하는 script태그 등을 만나면, 파싱을 일시 중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청한다.

🌟 HTTP 1.1과 HTTP 2.0

HTTP는 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜이다.

HTTP/1.1은 기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리한다. → 즉, 여러 개의 요청을 한번에 전송할 수 없고, 응답 또한 마찬가지다.

따라서 HTML 문서 내에 포함된 여러 개의 리소스 요청, 즉 CSS 파일을 로드하는 link 태그, img 태그, script 태그 등에 의한 리소스 요청이 개별적으로 전송되고 응답 또한 개별적으로 전송된다.

이처럼 HTTP/1.1은 리소스의 동시 전송이 불가능한 구조이므로 요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.

HTTP/2.0은 커넥션당 여러 개의 요청과 응답(다중 요청/응답)이 가능하다. 따라서 여러 리소스의 동시 전송이 가능하므로, 페이지 로드 속도가 약 50% 정도 빠르다고 알려져 있다.

🌟 HTML 파싱과 DOM 생성

브라우저의 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트다.
이를 브라우저에 시각적인 픽셀로 렌더링하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 한다.

브라우저의 렌더링 엔진은 HTML문서를 파싱해 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다.

서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다. 이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리 저장한 후 메모리 저장된 바이트를 인터넷을 경유해 응답한다.
브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트(2진수) 형태로 응답받는다. 그리고 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 방식(ex, UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환한다.
문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 최소 단위인 토큰들로 분해한다.
각 토큰들을 객체로 변환해 노드를 생성한다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
HTML 요소 간의 부자 관계를 반영해, 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다.

🌟 CSS 파싱과 CSSOM 생성

렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.

그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일을 서버에 요청해 로드한 CSS파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 과정(바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → CSSOM)을 거치며 해석해 CSSOM을 생성한다.

이후, CSS 파싱을 완료하면 HTML 파싱이 중단된 시점부터 다시 HTML을 파싱하기 시작해, DOM 생성을 재개한다.

🌟 렌더 트리 생성

랜더링 엔진은 서버로 부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱해, 각각 DOM과 CSSOM을 생성한다.
그리고, DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.

렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료 구조다.

따라서, 브라우저 화면에 렌더링 되지 않는 노드(ex, meta 태그, script 태그)와 CSS에 의해 비표시(display : none)되는 노드들은 포함하지 않는다.

이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃을 계산하는 데 사용되며, 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 의해 입력된다.

지금까지 살펴본, 브라우저의 렌더링 과정은 반복해서 실행될 수 있다.

예를 들어, 다음과 같은 경우 반복해서 레이아웃 계산과 페인팅이 재차 실행된다.

자바스크립트에 의한 노드 추가 또는 삭제
브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
HTML 요소의 레이아웃(위치,크기)에 변경을 발생시키는 경우
- width/height
- margin
- padding
- border
- display
- position
- top/right/bottom/left 등의 스타일 변경

레이아웃 계산과 페인팅을 다시 실행하는 리렌더링은 비용이 많이 드는 작업이다.

따라서, 가급적 리렌더링이 빈번하게 발생하지 않도록 주의할 필요가 있다.

🌟 자바스크립트 파싱과 실행

CSS 파싱 과정과 마찬가지로 렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 순차적으로 파싱하여, DOM을 생성해 나가다가 JavaScript 파일을 로드하는 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중지한다.

그리고 script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 JavaScript 파일을 서버에 요청해, 로드한 JavaScript 코드를 파싱하기 위해 JavaScript Engine에 제어권을 넘긴다.

이후, JavaScript 파싱과 실행이 종료되면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨 HTML파싱을 중단된 지점부터 다시 시작한다.

JavaScript 파싱과 실행은 JavaScript Engine이 처리한다.

JavaScript Engine은 자바스크립트 코드를 파싱해, CPU가 이해할 수 있는 low level language로 변환하고, 실행하는 역할을 한다.

HTML, CSS를 파싱해 DOM과 CSSOM을 생성하듯, JavaScript Engine은 JavaScript를 해석해, AST(Abstraction Syntax Tree)를 생성한다. 그리고 AST를 기반으로 인터프리터가 실행 할 수 있는 중간 코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.

🌟 리플로우와 리페인트

만약 자바스크립트 코드에 DOM이나 CSSOM을 변경하는 DOM API가 사용된 경우, DOM이나 CSSOM이 변경된다.

이때, 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다.

이를 리플로우, 리페인트라고 한다.

리플로우는 레이아웃 계산(위치, 크기 계산)을 다시 하는 것을 말하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한하여 실행된다.

리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인트(픽셀 렌더링)를 하는 것을 말한다.

🌟 자바스크립트 파싱에 의한 HTML 파싱 중단

지금까지 살펴본 바에 따르면, 브라우저는 위에서 아래 방향으로 HTML, CSS, JavaScript를 파싱하고 실행한다. (DOM을 생성하는 도중 CSS, JS 파일을 로드하는 태그를 만나면, 파일을 로드하고 CSSOM을 만들거나, AST를 만든다)

이는 script태그의 위치에 따라 HTML파싱이 블로킹 되어 DOM 생성이 지연될 수 있다는 것을 의미한다.

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <link rel="stylesheet" href="style.css" />
    <script>
      /*
        DOM API인 document.getElementById는 DOM에서 id가 'apple'인 HTML 요소를
        취득한다. 
        아래 DOM API가 실행되는 시점에는 아직 id가 'apple'인 HTML 요소를 파싱하지
        않았기 때문에 DOM에는 id가 'apple'인 HTML 요소가 포함되어 있지 않다.
        따라서 아래 코드는 정상적으로 id가 'apple'인 HTML 요소를 취득하지 못한다.
      */
      const $apple = document.getElementById("apple");
 
      // id가 'apple'인 HTML 요소의 css color 프로퍼티 값을 변경한다.
      // 이때 DOM에는 id가 'apple'인 HTML 요소가 포함되어 있지 않기 때문에 에러가 발생한다.
      $apple.style.color = "red";
      // TypeError: Cannot read property 'style' of null
    </script>
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
  </body>
</html>

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <link rel="stylesheet" href="style.css" />
    <script>
      /*
        DOM API인 document.getElementById는 DOM에서 id가 'apple'인 HTML 요소를
        취득한다. 
        아래 DOM API가 실행되는 시점에는 아직 id가 'apple'인 HTML 요소를 파싱하지
        않았기 때문에 DOM에는 id가 'apple'인 HTML 요소가 포함되어 있지 않다.
        따라서 아래 코드는 정상적으로 id가 'apple'인 HTML 요소를 취득하지 못한다.
      */
      const $apple = document.getElementById("apple");
 
      // id가 'apple'인 HTML 요소의 css color 프로퍼티 값을 변경한다.
      // 이때 DOM에는 id가 'apple'인 HTML 요소가 포함되어 있지 않기 때문에 에러가 발생한다.
      $apple.style.color = "red";
      // TypeError: Cannot read property 'style' of null
    </script>
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
  </body>
</html>

DOM API인 document.getElementById('apple') 는 DOM에서 id가 'apple'인 HTML 요소를 취득한다.

하지만, document.getElementById('apple')을 실행하는 시점에는 아직 id가 'apple'인 HTML 요소를 파싱하지 않았기 때문에, 정상적으로 동작하지 않는다.

이를 위해, JavaScript를 body 요소의 가장 아래, 닫는 body 태그 바로 위에 위치시켜 보자.

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <link rel="stylesheet" href="style.css" />
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
    <script>
      /*
        DOM API인 document.getElementById는 DOM에서 id가 'apple'인 HTML 요소를
        취득한다. 
        아래 코드가 실행되는 시점에는 id가 'apple'인 HTML 요소의 파싱이 완료되어
        DOM에 포함되어 있기 때문에 정상적으로 동작한다.
      */
      const $apple = document.getElementById("apple");
 
      // apple 요소의 css color 프로퍼티 값을 변경한다.
      $apple.style.color = "red";
    </script>
  </body>
</html>

<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <link rel="stylesheet" href="style.css" />
  </head>
  <body>
    <ul>
      <li id="apple">Apple</li>
      <li id="banana">Banana</li>
      <li id="orange">Orange</li>
    </ul>
    <script>
      /*
        DOM API인 document.getElementById는 DOM에서 id가 'apple'인 HTML 요소를
        취득한다. 
        아래 코드가 실행되는 시점에는 id가 'apple'인 HTML 요소의 파싱이 완료되어
        DOM에 포함되어 있기 때문에 정상적으로 동작한다.
      */
      const $apple = document.getElementById("apple");
 
      // apple 요소의 css color 프로퍼티 값을 변경한다.
      $apple.style.color = "red";
    </script>
  </body>
</html>

또한 JavaScript가 실행되기 이전에 DOM 생성이 완료되어 렌더링 되므로, 페이지 로딩 시간이 단축되는 이점도 있다.

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