[JS] 비동기 프로그래밍

📌 동기 처리와 비동기 처리

• 자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 갖기 때문에 동시에 2개 이상의 함수를 동시에 실행할 수 없음
• 실행 컨텍스트 스택의 최상위 요소인 "실행 중인 실행 컨텍스트"를 제외한 모든 실행 컨텍스트는 모두 실행 대기 중인 태스크(task)들임
• 대기 중인 태스크들은 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 pop 되어 실행 컨텍스트 스택에서 제거되어야 실행되기 시작함
• 자바스크입트 엔진은 싱글스레드(single thread) 방식으로 동작함
• 싱글 스레드 방식은 한 번에 하나의 태스크만 실행할 수 있기 때문에 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 블로킹(blocking, 작업 중단)이 발생함

 

동기 처리와 비동기 처리

• 동기(synchronous) 처리: 현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음에 실행될 태스크가 대기하는 방식
  장점: 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장됨
  단점: 앞선 태스크가 종료할 때까지 이후 태스크들이 블로킹됨
• 비동기(asynchronous) 처리: 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식
  장점: 현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하므로 블로킹이 발생하지 않음
  단점: 태스크의 실행 순서가 보장되지 않음
• 비동기 처리를 위한 콜백 패턴은 콜백 헬을 발생시켜 가독성을 안좋게 하고, 비동기 처리 중 발생한 에러의 예외 처리가 곤란하며, 여러 개의 비동기 처리를 한 번에 처리하는 데도 한계가 있음 -> Promise
• 타이머 함수인 setTimeout과 setInterval, HTTP 요청, 이벤트 핸들러는 비동기 처리 방식으로 동작함

 

📌 이벤트 루프와 태스크 큐

이벤트 루프와 브라우저 환경

• 콜 스택(call stack): 소스코드 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조 (실행 컨텍스트 스택)
• 힙(heap): 객체가 저장되는 메모리 공간. 런타임에 메모리 공간의 크기가 동적 할당되기 때문에 구조화되어 있지 않음
  콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조함
• 태스크 큐(task queue/event queue/callback queue): 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역. 태스크 큐에 일시 보관된 함수들은 비동기 처리 방식으로 동작함
• 이벤트 루프(event loop): 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있는지 반복해서 확인하고, 콜 스택이 비어있고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있으면 순차적으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킴
• 비동기 함수인 setTimeout의 콜백 함수는 태스크 큐에 push되어 대기하다가 콜 스택이 비게 되면(전역 코드 및 명시적으로 호출된 함수가 모두 종료하면) 비로소 콜 스택에 푸시되어 실행됨
• 자바스크립트 엔진은 싱글 스레드 방식으로 동작하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작하기 때문에 자바스크립트가 비동기로 동작할 수 있음

 
브라우저 환경에서 비동기 함수의 동작 과정

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

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

setTimeout(foo, 0); // 0초(실제는 4ms) 후에 foo 함수가 호출됨
bar();

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시됨
2. 전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출됨
   이때 setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 됨
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 pop됨
   이때 호출 스케줄링, 즉 타이머 설정과 타이머가 만료되면 콜백 함수를 태스크 큐에 push하는 것은 브라우저의 역할임
4. 브라우저가 수행하는 작업과 자바스크립트 엔진이 수행하는 작업은 병행 처리됨
   (브라우저와 자바스크립트 엔진이 협력하여 비동기 함수인 setTimeout 함수를 실행함)
   
   • 브라우저: 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다리고, 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 push됨
     예제의 경우 지연 시간(delay)이 0이지만 지연 시간이 4ms 이하인 경우 최소 지연 시간 4ms가 지정됨
     따라서 4ms 후에 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 push되어 대기하게 됨 -> setTimeout 함수로 호출 스케줄링한 콜백 함수는 정확히 지연 시간 후에 호출된다는 보장이 없음
   • 자바스크립트 엔진: bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 push되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 됨
     이후 bar 함수가 종료되면 콜 스택에서 pop되고, 이때 브라우저가 타이머를 설정한 후 4ms가 경과했다면 foo 함수는 아직 태스크 큐에서 대기 중임
5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 pop되고 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않게 됨
6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어 있음이 감지되고 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 이벤트 루프에 의해 콜 스택에 push됨
   (콜백 함수 foo의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 push되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 됨
   이후 foo 함수가 종료되어 콜 스택에서 pop됨

 
 

 

참고문헌 및 출처 : 모던 자바스크립트 Deep Dive (이웅모)