클라이언트 사이드의 자바스크립트는 운영체제나 가상머신 위에서 실행되는 대부분의 언어와 달리 브라우저에서 HTML, CSS와 함께 실행된다.
HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 텍스트문서를 어떻게 해석하여 브라우저에 렌더링하는지 알아보자.
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파싱 (parsing)
파싱은 프로그래밍 언어로 작성된 텍스트 문서를 실행하기 위해 텍스트 문서의 문자열을 토큰으로 분해하고, 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영하여 트리 자료구조인 파스트리를 생성하는 과정이다.
파싱이 완료된 후에는 파스트리를 기반으로 중간 언어인 바이트코드를 생성하고 실행한다.토큰: 문법적인 의미를 가지며 문법적으로 더 이상 나눌 수 없는 코드의 기본 요소를 의미한다.
바이트코드: 특정한 하드웨어가 아니라 가상머신에서 실행하도록 만든 바이너리 코드를 의미한다. -
렌더링(rendering)
렌더링은 HTML, CSS, 자바스크립트로 작성된 문서를 파싱하여 브라우저에 시각적으로 출력하는 것을 말한다.
image reference (브라우저의 렌더링 과정)
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브라우저는 HTML, CSS, 자바스크립트, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답 받는다.
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브라우저 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 DOM과 CSSOM을 생성하고 이들을 결합하여 렌더 트리를 생성한다.
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브라우저의 자바스크립트 엔진은 서버로부터 응답된 자바스크립트를 파싱하여 AST(Abstract Syntex Tree)를 생성하고 바이트코드로 변환하여 실행한다. 이때 자바스크립트 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. 변경된 DOM , CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
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렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.
서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공한다.
브라우저의 주소창에 URL을 입력하고 엔터 키를 누르면
➡️ URL의 호스트 이름이 DNS를 통해 IP 주소로 변환되고
➡️ 이 IP 주소를 갖는 서버에게 요청을 전송한다.
브라우저가 응답을 받기 전에 Network 패널을 활성화해야 리소스가 표시된다.
이때 html 이외에 css, js, 이미지파일 등도 응답되는데 이는 브라우저의 렌더링 엔진이 html을 파싱하는 도중에 외부 리소스를 로드하는 link 태그, img 태그 등을 만나면 파싱을 일시중단하고 해당 리소스 파일을 서버로 요청하기 때문이다.
HTTP는 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 규약이다.
HTTP/1.1과 HTTP/2.0의 차이를 살펴보자.
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HTTP/1.1은 기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리한다. 즉, 여러 개의 요청, 응답을 처리할 수 없다.
따라서 HTML문서 내에link,img,script태그 등에 의한 리소스 요청이 개별적으로 전송된다. 이처럼 요청할 리소스의 개수에 비례하여 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.
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HTTP/2.0은 다중 요청, 응답이 가능하기 때문에 HTTP/1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50% 빠르다.
텍스트로 이루어진 HTML 문서를 브라우저에 시각적으로 렌더링하려면 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환하여 메모리에 저장해야 한다.
이를 위해 브라우저의 렌더링 엔진은 HTML 문서를 파싱하여 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM을 생성한다.
아래의 index.html이 서버로부터 응답된다고 하면
<!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 src="app.js"></script>
</body>
</html>아래와 같은 과정을 통해 DOM을 생성한다.
image reference HTML파싱과 DOM 생성
💡HTML 파싱과 DOM 생성과정
> 바이트 -> 문자 -> 토큰 -> 노드 -> DOM 1. 서버에 존재하던 HTML 파일이 브라우저의 요청에 의해 응답된다.이때 서버는 브라우저가 요청한 HTML 파일을 읽어 들여 메모리에 저장한 다음 메모리에 저장된 바이트를 인터넷을 경유하여 응답한다.
2. 브라우저는 서버가 응답한 HTML 문서를 바이트 형태로 응답받는다.
그리고 응답된 바이트 형태의 HTML 문서는 meta 태그의 charset 어트리뷰트에 의해 지정된 인코딩 방식(UTF-8)을 기준으로 문자열로 변환된다.
> *meta 태그의 charset 어트리뷰트에 선언된 인코딩 방식은 content-type:text/html; charset=utf-8과 같이 응답 헤더에 담겨 응답된다. 브라우저는 이를 확인하고 문자열로 변환한다.*
- 문자열로 변환된 HTML 문서를 읽어 들여 문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.
- 각 토큰들을 객체로 변환하여 노드들을 생성한다. 토큰의 내용에 따라 문서노드, 요소 노드, 어트리뷰트 노드, 텍스트 노드가 생성된다. 노드는 이후 DOM을 구성하는 기본 요소가 된다.
- HTML 문서는 HTML 요소들의 집합으로 이루어지며 HTML 요소는 중첩 관계를 갖는다. 즉, HTML 요소의 콘텐츠 영역(시작 태그와 종료 태그 사이)에는 텍스트뿐만 아니라 다른 HTML 요소도 포함될 수 있다. 이떄 HTML 요소간에는 중첩 관계에 의해 부자 관계가 형성된다. 이러한 HTML 요소간의 부자 관계를 반영하여 모든 노드들을 트리 자료구조로 구성한다. 이 노드들로 구성된 트리 자료구조를 DOM이라 부른다.
렌더링 엔진은 HTML을 한 줄씩 순차적으로 파싱하여 DOM을 생성해 나가다가 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시중단한다.
그리고 link 태그의 href 어트리뷰트에 지정된 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱과정을 거쳐 CSSOM을 생성한다.
아래와 같은 html 파일에서 link 태그를 만나면 href 어트리뷰트에 지정된 CSS파일을 서버에 요청한다.
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8" />
<link rel="stylesheet" href="style.css" />
...
</head>
</html>그리고 다음과 같은 css 파일이 서버로부터 응답되었다고 가정하자.
body {
font-size: 18px;
}
ul {
list-style-type: none;
}렌더링 엔진은 바이트 -> 문자 -> 토큰 -> 노드 -> CSSOM의 해석과정을 거쳐 CSSOM을 생성한다.
CSSOM은 CSS의 상속을 반영하여 생성된다. 위 예제에서 body 요소에 적용한 font-size 프로퍼티와 ul 요소에 적용한 list-style-type 프로퍼티는 모든 li 요소에 상속된다.
렌더링 엔진이 DOM과 CSSOM을 생성하고나면 DOM과 CSSOM은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.
렌더 트리는 말 그대로 렌더링을 위한 트리 자료구조이기 때문에 화면에 렌더링 되지 않는 노드(meta, script...)와 CSS에 의해 표시되지 않는 노드(display:none)들은 포함되지 않는다.
image reference 렌더 트리 생성
완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃을 계산하는 데에 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.
image reference 렌더 트리와 레이아웃/페인트
지금까지 살펴본 브라우저의 렌더링 과정은 아래와 같은 경우 반복해서 실행될 수 있다.
- js에 의한 노드 추가 또는 삭제
- 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
- HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는
width/height,margin,padding,border,display,postion등의 스타일 변경
렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 script 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
그리고 script 태그 내의 자바스크립트 코드를 파싱하기 위해 자바스크립트 엔진에 제어권을 넘긴다.
- 자바스크립트 엔진은 자바스크립트 코드를 파싱하여 CPU가 이해할 수 있는 저수준 언어로 변환하고 실행한다.
- 그리고 렌더링 엔진이 DOM과 CSSOM을 생성하듯이 AST를 생성한다.
- 그 후 AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 중간코드인 바이트코드를 생성하여 실행한다.
image reference 자바스크립트 파싱과 실행
단순한 문자열인 자바스크립트 소스코드를 어휘 분석하여 토큰들로 분해한다.
토큰
문법적 의미를 갖는 코드의 최소 단위
토큰들의 집합을 구문 분석하여 AST를 생성한다.
AST
토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조
AST는 인터프리터나 컴파일러만이 사용하는 것이 아니라 TypeScript, Babel, Prettier 같은 트랜스파일러를 구현할 수도 있다.
AST Explorer
파싱으로 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행된다.
V8 엔진의 경우 자주 사용되는 코드는 터보팬이라 불리는 컴파일러에 의해 최적화된 머신코드로 컴파일되어 성능을 최적화한다.
코드의 사용 빈도가 적어지면 다시 디옵티마이징하기도 한다.
만약 자바스크립트 코드에 DOM API가 사용되면 DOM이나 CSSOM이 변경된다.
변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합된다.
그리고 변경된 렌더 트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거쳐 브라우저의 화면에 다시 렌더링한다.
image reference DOM API에 의한 리플로우, 리페인트
노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생했을때 레이아웃 계산을 다시 하는 것이다.
재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 화면에 픽셀을 렌더링 하는 것을 말한다.
리플로우와 리페인트가 반드시 순차적으로 동시에 실행되는 것은 아니며 레이아웃에 영향이 없을 경우 리페인트만 실행될 수도 있다.
렌더링 엔진과 자바스크립트 엔진은 직렬적으로 파싱을 수행한다.
image reference 직렬적 파싱
위 그림처럼 브라우저는 동기적으로 HTML, CSS, 자바스크립트를 파싱하고 실행한다.
그에 따라 script 태그의 위치에 따라 HTML 파싱이 블로킹 되어 DOM 생성이 지연될 수 있다.
따라서 script 태그의 위치는 중요하다.
위의 예제에서 app.js의 파싱과 실행 이전까지는 DOM 생성이 일시 중단된다.
이때 DOM 생성 이전에 app.js에서 DOM이나 CSSOM을 변경할 경우 문제가 발생할 수 있다.
💡 script 태그에 의한 블로킹 예제
<!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>자바스크립트를 body 요소 가장 아래에 위치시키면 위와 같은 문제를 해결할 수 있다.
💡 script 태그를 body 요소의 가장 아래에 위치 시켰을 때
<!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>DOM이 완성된 후에 자바스크립트가 DOM을 조작하므로 에러가 발생할 우려가 없다.
자바스크립트 로딩/파싱/실행으로 인해 HTML 요소들의 렌더링에 지장받는 일이 없어 페이지 로딩 시간이 단축된다.
앞에서 살펴본 자바스크립트 파싱에 의한 DOM 생성이 중단되는 문제를 해결하기 위해 HTML5부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.
async와 defer 어트리뷰트는 src 어트리뷰트를 통해 외부 자바스크립트 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다.
<script async src="extern.js"></script>
<script defer src="extern.js"></script>async와 defer 어트리뷰트를 사용하면 HTML 파싱과 외부 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다.
HTML 파싱과 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 실행된다. 단, 자바스크립트 파일의 로드가 완료된 직후에 바로 자바스크립트의 파싱과 실행이 진행된다. 이떄 HTML 파싱이 중단된다.
image reference async 어트리뷰트
여러개의 script 태그에 async를 지정하면 script 태그의 순서와는 상관없이 로드가 완료된 자바스크립트부터 실행된다. 따라서 순서보장이 필요한 script 태그에는 async를 지정하지 않아야한다.
HTML 파싱과 자바스크립트 파일의 로드가 비동기적으로 실행된다. 단, 자바스크립트의 파싱과 실행은 DOM 생성이 완료된 직후에 진행된다.
image reference defer 어트리뷰트