🌟 동기 처리와 비동기 처리

23장 실행 컨텍스트에서 살펴본 바와 같이, 함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성된다.
이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(Call Stack) 에 푸쉬되고 함수 코드가 실행된다.
즉, 실행 컨텍스트 스택에 함수 실행 컨텍스트가 푸쉬되는 것은 바로 함수 실행의 시작을 의미한다. 함수가 호출된 순서대로 실행되는 이유는 함수가 호출된 순서대로 실행 컨텍스트 스택에 푸쉬되기 때문이다.

자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 가진다.

즉, 동시에 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없다는 것을 의미한다.
실행 컨텍스트 스택의 최상위 요소인 실행 중인 실행 컨텍스트를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두, 실행 대기 중인 Task들이다.
대기 중인 실행 컨텍스트들은 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 팝되어 제거되면, 비로소 실행 된다.

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, 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹(작업 중단)이 발생한다.
예를 들어, setTimeout 함수와 유사하게 일정 시간이 경과한 이후에 콜백 함수를 호출하는 sleep 함수를 구현해 보자.

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();

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();

위 예제의 sleep 함수는 3초 후에 foo 함수를 호출한다. 이때, bar 함수는 sleep 함수의 실행이 종료된 이후 호출되므로 3초 이상 호출되지 못하고 블로킹된다.

이처럼 현재 실행 중인 테스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식을 동기처리라고 한다.

동기 처리 방식은 태스크를 순서대로 하나씩 처리하기 때문에, 실행 순서가 보장된다는 장점이 있지만, 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹되는 단점이 있다.
이제 위 예제를 타이머 함수인 setTimeout을 사용하여 수정해 보자,

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

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

setTimeout 함수는 앞서 살펴본 sleep 함수와 유사하게 일정 시간이 경과한 이후 콜백 함수를 호출하지만, setTimeout 함수 이후의 태스크들은 블로킹하지 않고, 곧바로 실행된다.

이처럼 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않더라도, 다음 태스크를 실행하는 방식을 비동기처리라고 한다.

비동기 처리 방식은 다음 태스크를 바로 실행해 블로킹이 발생하지 않는 장점이 있지만, 태스크의 실행 순서가 보장되지 않는 단점이 있다.

🌟 이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트는 싱글 스레드로 동작한다. 하지만, 브라우저가 동작하는 것을 살펴보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다.

자바스크립트의 동시성을 지원하는 것이 바로 이벤트 루프이다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나다.

구글의 V8 자바스크립트 엔진을 비롯한 대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분할 수 있다.

콜 스택 (Call stack)

• 소스코드 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고, 제거되는 스택 자료구조인 실행 컨텍스트 스택이다.
• 함수를 호출하면 순차적으로 실행 컨텍스트가 Call Stack에 푸시되어 순차적으로 실행된다. 한번에 하나의 태스크가 실행할 수 있다.

힙 (Heap)

• 힙은 객체가 저장되는 메모리 공간이다. 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.
• 메모리에 값을 저장하려면 먼저 값을 저장할 메모리의 크기를 결정해야 한다. 객체는 원시 값과 달리 크기가 정해져 있지 않아 할당해야 할 메모리 공간의 크기를 런타임에 결정해야 한다. 따라서, 구조화되어 있지 않다.

이처럼 Call Stack과 Heap으로 구성되어 있는 JavaScript Engine은 단순히 태스크가 요청되면 Call Stack을 통해 요청된 작업을 순차적으로 실행할 뿐이다.
비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 JavaScript Engine을 구동하는 환경인 브라우저 또는 NodeJS가 담당한다.

예를 들어, 비동기 방식으로 동작하는 setTimeout의 콜백 함수의 평가와 실행은 자바스크립트 엔진이 담당하지만, 호출 스캐쥴링을 위한 타이머 설정과 콜백 함수의 등록은 브라우저 또는 NodeJS가 담당한다.

이를 위해, 브라우저 환경은 Task Queue와 Event Loop를 제공한다.

Task Queue(Task queue)

• 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다. Task Queue와 별도로 프로미스의 후속 처리 메서드의 콜백 함수가 일시적으로 보관되는 Micro Task Queue도 존재한다.

이벤트 루프(Event loop)

• EventLoop는 Call Stack에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, Task Queue에 대기 중인 함수(비동기 콜백 함수, 이벤트 핸들러 등)가 있는지 반복해서 확인한다.
• 만약 Call Stack이 비어 있고, Task Queue에 대기 중인 함수가 있다면, 이벤트 루프는 순차적으로 Task Queue에 대기 중인 함수를 Call Stack으로 이동시킨다. 이후, Call Stack으로 이동한 함수는 실행된다.

다음 예제가 어떻게 동작하는지 살펴보자

function foo() {
  console.log("foo");
}
 
function bar() {
  console.log("bar");
}
 
setTimeout(foo, 0); // 0초(실제는 4ms) 후에 foo 함수가 호출된다.
bar();

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 Call Stack에 푸쉬된다.
2. 전역 코드가 실행되기 시작하여, setTimeout 함수가 호출된다. 이때, setTimeout의 실행 컨텍스트가 생성되고 Call Stack에 푸쉬되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스캐줄링하고 종료되어, Call Stack에서 pop된다. 이때, 호출 스캐줄링, 즉 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 Task Queue에 푸시하는 것은 브라우저의 역할이다.
4. 브라우저가 수행하는 4-a와 자바스크립트 엔진이 실행하는 4-b는 병렬처리된다.
   a. 브라우저는 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 Task Queue에 푸쉬된다.
   b. bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 Call Stack에 푸쉬되고 실행되고 종료되어 Call Stack에서 팝된다. 이때, 브라우저가 타이머를 설정 후 시간이 경과하면 foo 함수는 아직 Task Queue에서 대기 중이다.
5. 전역 코드 실행이 종료되고, 전역 실행 컨텍스트가 Call Stack에서 팝 된다. 이로서 Call Stack에 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않는다.
6. EventLoop에 의해 Call Stack이 비어 있음이 감지되고 Task Queue에서 대기 중인 콜백 함수 ₩가 이벤트 루프에 의해 Call Stack에 푸쉬된다. 이후, 실행되고 팝된다.