자바스크립트의 비동기 프로그래밍

최근 들어 자바스크립트에서 비동기를 잘 다루는게 얼마나 중요한지 더 절실하게 느낀다. 필자가 마주한 대부분의 골치 아픈 에러는 비동기로 인한 것이며, 왜 이때 실행되는지 혹은 왜 이렇게 늦게 실행되는지 등 원인 파악이 어려워 늘 애를 먹는다.

개발 공부를 막 시작했을 무렵 Node.js란?자바스크립트 비동기 함수 알아보기 글을 작성했었다. 당시에 내가 이해한 만큼만 썼다보니 겉핥기 식의 글로 무척이나 부끄럽지만, 공부했던 기록이니 삭제보다는 새로 작성해보려 한다.


싱글스레드인 자바스크립트의 비동기가 가능한 이유

사람은 혼자서 앞과 뒤를 동시에 볼 수 없고, 공부를 하면서 잠을 자는 등의 업무를 동시에 진행할 수 없다.

자바스크립트 역시 싱글 스레드로 한 번에 하나의 코드만 실행시킬 수 있다. 따라서 애니메이션이 지속됨과 동시에 상품 상세페이지로 이동하기 위한 클릭 등의 작업이 불가하다. 하지만 이 글을 읽는 사람 모두가 알듯이, 브라우저에서 이와 같은 업무가 가능하다. 왜 그럴까?

용어: 스레드(Thread)
  • 스레드는 어떠한 프로그램이 실행되는 작업을 말한다.
  • 싱글 스레드는 한 번에 하나의 작업만 수행할 수 있으며, 멀티 스레드는 한 번에 여러 개의 작업을 수행할 수 있다.

이는 ‘이벤트 루프(Event Loop)’ 덕분이다.

이벤트 루프

출처: https://blog.sessionstack.com/how-javascript-works-event-loop-and-the-rise-of-async-programming-5-ways-to-better-coding-with-2f077c4438b5

브라우저 환경을 그린 것인데, 그림에서도 알 수 있듯이 이벤트 루프는 자바스크립트가 아닌 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나다. 즉, 자바스크립트는 싱글 스레드이지만, 브라우저에서는 이벤트 루프 덕분에 멀티 스레드로 동작하여 비동기 작업이 가능하다.

용어: Memory Heap(메모리 힙), Call Stack(콜 스택)
  • 메모리 힙: 메모리 할당이 일어나는 곳
  • 콜 스택: 힙에 저장된 객체를 참조하여, 호출 된 코드(함수)의 정보를 저장하고 실행하는 곳
  • 더 자세한 내용은 추후 실행 컨텍스트 글에서 다뤄보겠다.

하지만 만약 콜 스택에 while(true)나 React useEffect()의 두 번째 인자를 작성하지 않아 무한 호출되는 함수가 존재한다면, 콜 스택이 감당할 수 있는 범위를 초과하면 브라우저의 동작이 멈춰버리니 주의해야 한다.

이벤트 루프는 실행 할 함수를 관리하는 역할로 콜 스택과 큐(Queue)의 함수를 계속 확인한다. 만약 콜 스택이 비어 있고 큐에 대기 중인 함수가 있다면, 순차적으로 큐에 대기중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다. 그리고 이렇게 반복되는 매 순회(Iteration)을 tick이라 부른다.

console.log('Hi')
setTimeout(function cb1() {
  console.log('cb1')
}, 5000)
console.log('Bye')

위의 함수를 실행한 순서는 아래와 같다.

event loop

https://blog.sessionstack.com/how-javascript-works-event-loop-and-the-rise-of-async-programming-5-ways-to-better-coding-with-2f077c4438b5

예상한 것과 달리, 콜 스택에서 바로 큐로 넘어가는게 아니라 중간에 Web APIs를 한 번 거쳐 큐로 넘어간다. 이는 어떤 함수나 이벤트가 종료될 때까지 시간이 오래 걸릴 수 있기 때문에, 자바스크립트 엔진이 직접 처리하는 것이 아니라 브라우저에 위임한다. 위 예제에서는 setTimeout() 함수가 5초 뒤에 실행되기 때문에, Web APIs가 해당 연산을 마치고(5초 후) 콜 스택에서 바로 실행될 수 있는 상태가 되었을 때 큐에 등록한다.

큐 (Queue)

큐는 먼저 들어간 데이터가 먼저 나오는 특징(FIFO, First In First Out)을 갖고 있다.

프레임

https://garychang.gitbook.io/data-structure/lecture1-stack-and-queue/lecture1.2-queue-lie

용어: 스택(Stack)
  • 스택은 나중에 들어간 데이터가 먼저 나오는 특징(LIFO, Last In First Out)의 특징을 갖고 있다.
  • 프레임

    https://garychang.gitbook.io/data-structure/lecture1-stack-and-queue/lecture1.1-stack-dui

  • 그래서 위에 콜 스택은 나중에 들어간 데이터가 먼저 빠지고, 큐는 우->좌로 실행된다.

  • 큐는 크게 태스크 큐(Task Queue), 마이크로 태스크 큐(Micro Task Queue), rAF 큐(Request Animation Frame Queue)로 나뉜다.

    • 태스크 큐(Task Queue): setTimeout(), setInterval()과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 대기하는 곳이다.
    • 마이크로 태스크 큐(Micro Task Queue): Promise()의 후속 처리 메서드의 콜백 함수나 MutationObserver()가 대기하는 곳이다.
    • rAF 큐(Request Animation Frame Queue): requestAnimationFrame()처럼 애니메이션을 업데이트하는 콜백 함수가 대기하는 곳이다.

    우선 순위

    각 큐에 대한 실행 우선 순위는 마이크로 태스크 큐 > rAF 큐 > 태스트 큐 순서이다. 이벤트 루프는 해당 순서대로 대기하고 있는 함수들을 보고 있다가 차례대로 콜 스택에 가져와 실행한다.

    console.log('처음')
    
    setTimeout(() => {
      console.log('setTimeout - 태스크 큐')
    }, 0)
    
    Promise.resolve()
      .then(() => {
        console.log('promise1 - 마이크로 태스크 큐')
      })
      .then(() => {
        console.log('promise2 - 마이크로 태스크 큐')
      })
    
    requestAnimationFrame(() => {
      console.log('requestAnimationFrame - rAF 큐')
    })
    
    console.log('마지막')
    처음
    마지막
    promise1 - 마이크로 태스크 큐
    promise2 - 마이크로 태스크 큐
    requestAnimationFrame - rAF 큐
    setTimeout - 태스크 큐

    따라서 위와 같은 결과가 나와야하지만 실제로는 그렇지 않았다.

    몇 번의 새로고침을 반복하다보면 setTimeout()requestAnimationFrame()보다 먼저 console에 찍히는걸 볼 수 있다.

    구글링을 해보면 브라우저에 따라 태스크 큐와 rAF 큐의 실행 순서가 달라질 수 있다고 했지만, 같은 크롬에서 테스트했을 때 발생한 문제이기 때문에 다른 원인이 있다고 생각한다.

    아직 정확한 이유는 모르지만, 필자는 requestAnimationFrame()가 브라우저가 리페인트 하기 바로 직전에 호출되기 때문이라 추측한다. (추후 내용 보충)

    만약 긴급하게 실행해야 하는 함수가 존재한다면?

    태스크 큐보다 먼저 실행해야하는 함수가 존재한다면, queueMicrotask()로 우선 순위를 끌어올릴 수 있다.

    const callback = () => console.log('일반 콜백 함수 호출')
    const urgentCallback = () => console.log('---> 긴급 콜백 함수 호출')
    
    console.log('시작')
    setTimeout(callback, 0)
    queueMicrotask(urgentCallback)
    console.log('종료')
    시작
    종료
    ---> 긴급 콜백 함수 호출
    일반 콜백 함수 호출

    setTimeout(setInterval)의 문제

    먼저 알아야 할 점은, 대부분의 브라우저는 W3C 권장사항에 따라 디스플레이 주사율과 일치한 횟수로 콜백 함수를 호출한다. 그래서 보통 60FPS로 화면을 렌더링하고, 이는 콜백의 수가 보통 1초에 60회, 16ms(0.016초)에 하나씩 실행된다.

    프레임

    https://namu.wiki/w/FPS

    용어: FPS(Frames Per Second), 프레임
    • FPS는 초당 프레임을 말한다.
    • 동영상은 정지된 사진의 연속으로도 볼 수 있는데, 이처럼 각각의 정지된 사진을 '프레임'이라 부른다. 그리고 이러한 사진이 1초에 몇 장 보이는지를 일컬어 프레임률이라 하며 단위는 'fps' 혹은 'Hz'를 쓴다.
    • 일반적인 모니터가 초당 60번의 갱신 주기(Hz)를 갖고 있기 때문에 W3C에서도 60FPS를 권장한게 아닌가 생각한다.

    requestAnimationFrame()이 나오기 전에는 setTimeout()이나 setInterval()을 중첩으로 사용하여 애니메이션 작업을 했다. 따라서 함수 실행이 프레임(16ms)마다 끊기지 않고 연이어 실행되어야 유저에게 부드럽게 재생되는 애니메이션 효과를 낼 수 있다.

    그러나 setTimeout()setInterval() 모두 시간 기반의 함수가 아니며, 앞의 콜백 함수가 종료 시에 실행된다. 게다가 만약 컴퓨터 성능이 안 좋다면, 프레임(16ms) 시작 때 함수 실행이 늦어져 화면과 싱크가 맞지 않아 애니메이션이 끊겨 보이는 현상(ex. 위 gif의 15FPS)이 일어난다.

    setTimeout fires

    https://web.dev/optimize-javascript-execution/

    반면 requestAnimationFrame()는 콜백을 실행하는 시점에 DOMHighResTimeStamp가 전달되어 시간 기반으로 작동하는 함수로 프레임(16ms) 시작 때 실행을 보장한다. 때문에 무한 스크롤을 구현할 때 setTimeout() 기반의 throttle 대신 requestAnimationFrame()을 사용해야 한다.

    비동기 프로그래밍(Asynchronous Programming)

    비동기 처리는 현재 실행중인 것이 완료되지 않더라도 다음 코드를 실행하는 방식을 말한다.

    동시에 여러 작업을 수행할 수 있다는 큰 장점이 있지만, 비동기 함수가 많을 경우 어떤 코드가 먼저 실행되는지 알 수 없고 가독성이 나쁘다는 평을 들어왔다. 이런 문제를 해결하기 위해 여러 비동기 프로그래밍 방법이 생겼고 크게 콜백(Callback) 함수, Promise, async/await 패턴이 존재한다.

    해당 글에서는 각각의 패턴이 어떤 형태이며, 어떤 문제점이 존재하는지 등에 대해 간단히 다루고 다른 글에서 사용법에 대해 자세히 다뤄보겠다.

    콜백(Callback) 함수

    콜백은 다른 함수의 인자로 함수를 넘기는 것을 말한다. 콜백 함수로 비동기 프로그래밍을 짤 수 있지만, 모든 콜백 함수가 비동기이진 않다. 예를 들어 map(), filter()의 첫 번째 인자로 들어가는 콜백 함수는 동기식으로 호출된다.

    // 해당 코드는 [자바스크립트 Deep Dive, 이웅모 (2020)]의 프로미스(p842)에서 가져왔습니다.
    
    const POSTS_URL = 'https://jsonplaceholder.typicode.com/posts'
    
    const getPosts = url => {
      const xhr = new XMLHttpRequest()
      xhr.open('GET', url)
      xhr.send()
    
      xhr.onload = () => {
        if (xhr.status === 200) {
          console.log(JSON.parse(xhr.response))
        } else {
          console.error(`${xhr.status} ${xhr.statusText}`)
        }
      }
    }
    
    const posts = getPosts(POSTS_URL)
    console.log('posts: ', posts)

    여기서 post를 console로 찍었을 때 어떤 결과가 나올까?

    xhr.onload()가 비동기로 동작하기 때문에 post는 undefined라는 결과를 반환한다. 이렇듯 비동기로 동작하는 함수는 외부에서 그 값을 바로 참조하지 못하여, 무조건 콜백 함수 내부에서 그 처리를 진행해야 한다.

    const getPosts = (url, whenSuccess, whenFail) => {
      const xhr = new XMLHttpRequest()
      xhr.open('GET', url)
      xhr.send()
    
      xhr.onload = () => {
        if (xhr.status === 200) {
          whenSuccess(JSON.parse(xhr.response))
        } else {
          whenFail(xhr.status, xhr.statusText)
        }
      }
    }
    
    const handlePosts = response => {
      // ...
    }
    
    const errorHandling = (status, statusText) => {
      // ...
    }
    
    const posts = getPosts(POSTS_URL, handlePosts, errorHandling)

    따라서 콜백의 후속 처리를 모두 그 콜백 함수 내에서 처리해야 하기 때문에, 위처럼 다시 콜백함수를 넘기는 수 밖에 없게 되었다.

    그런데 만약 해당 콜백 함수에 또 예외 처리를 해야 하거나, 여러 에러 상황에 각기 다른 조치를 취해야 한다면 어떻게 해야할까? 끔찍하게도 이것 역시 또 다른 콜백함수로 넘겨야 한다. 그리고 이런 상황이 곧 ‘콜백 헬(callback hell)’이라는 단어로 불러졌다.

    Promise

    Promise도 콜백 헬을 해결할 수 없었지만, 비동기 함수의 후속 처리가 콜백 함수에 비해 다루기 훨씬 쉬워졌다.

    const getPostsWithPromise = url => {
      return new Promise((resolve, reject) => {
        const xhr = new XMLHttpRequest()
    
        xhr.open('GET', url)
        xhr.send()
    
        xhr.onload = () => {
          if (xhr.status === 200) {
            resolve(JSON.parse(xhr.response))
          } else {
            reject(xhr.status, xhr.statusText)
          }
        }
      })
    }
    
    const posts = getPostsWithPromise(POSTS_URL)
    console.log('posts: ', posts)

    콜백 함수와 달리 post를 console로 찍어보면 Promise {<pending>}이란 값이 나온다. 비동기 함수가 수행되기 전이기 때문에 resolve나 reject가 아닌 pending이 반환된 것이다.

    posts
      .then(res => console.log(res))
      .catch(err => console.error(err))
      .finally(() => console.log('끝'))

    그리고 Promise로 생성된 posts는 각각 then, catch, finally로 후속 처리가 가능하다.

    fetch() 함수가 바로 Promise 기반으로 만들어진 HTTP 요청 전송 기능인 클라이언트 사이드 Web API다. 쓰임새도 Promise와 매우 유사하다.

    fetch(POSTS_URL)
      .then(res => console.log(res))
      .catch(err => console.error(err))
      .finally(() => console.log('끝'))

    Promise는 비동기 함수 처리를 쉽게 할 수 있다는 것 외에도, 여러 비동기 처리를 병렬 처리할 때 사용하는 Promise.all(), 여러 비동기 처리를 다룰 때 가장 먼저 fulfilled된 처리 결과를 반환하는 Promise.race() 등 일반 콜백 함수로 다루는 것보다 보다 더 다양한 작업이 가능하다.

    async/await

    그러나 Promise는 여전히 콜백 함수를 사용하기 때문에, 콜백 헬의 문제를 해결할 수 없었다. ES6에 제너레이터가 도입되어 비동기를 동기처럼 구현했지만, 코드가 장황해지고 가독성이 나빠졌다. 이에 뒤따라 ES8에서 보다 간단하고 가독성 좋게 비동기 처리를 동기 처리처럼 구현하는 async/await가 도입되었다.

    async/await는 Promise를 기반으로 동작하며, then/catch/finally와 같은 후속 처리 메서드 없이 마치 동기 처리처럼 사용할 수 있다.

    const getPostWithAsync = async url => {
      try {
        const response = await fetch(url)
        return await response.json() // 혹은 다른 형태로 데이터 전처리 가능
      } catch (err) {
        console.err(err)
      } finally {
        console.log('끝')
      }
    }
    
    const posts = getPostWithAsync(POSTS_URL)
    console.log('posts: ', posts)
    
    posts.then(console.log)

    콜백 함수나 Promise는 무조건 api를 호출한 후, 또 다른 콜백 함수를 실행하여 데이터의 처리가 가능했지만, async/await는 해당 함수 내부에서 바로 동기 처리처럼 데이터를 수정할 수 있다. 또한 try/catch 문으로 에러 처리도 훨씬 수월하다. (추후 콜백 함수나 Promise에서는 try/catch 문이 어려운지 작성해보겠다)


    추후 추가할 내용

    • rAF 큐와 태스크 큐의 우선순위가 매번 달라지는 이유
    • 콜백함수, Promise, async/await에서의 try/catch 문

    참고


    👆@김민정(howdy-mj)
    안녕하세요, 공부한 것을 기록하고 공유하는 걸 좋아하는 프론트엔드 개발자 김민정입니다. 회고록, 일상 및 다른 관심사는 티스토리에 기록하고 있습니다.

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