JavaScript의 작동 원리와 비동기 처리
JavaScript는 싱글 스레드로 동작하는 언어입니다. 즉, 한 번에 하나의 작업만 수행할 수 있으며, 다른 작업이 중간에 끼어들 수 없습니다. 기존에 수행하던 작업이 끝나야만 다음 작업을 수행할 수 있습니다. 그런데도 JavaScript는 비동기, 동시성, 논블로킹 I/O 등의 개념을 지원합니다. 이번 글에서는 JavaScript의 작동 원리와 이러한 개념들이 어떻게 조화롭게 동작하는지 설명하겠습니다.
JavaScript 런타임 구성 요소
JavaScript의 런타임은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.
•
메모리 힙(memory heap): 메모리 할당을 담당하는 곳입니다.
•
콜 스택(call stack): 함수 호출이 쌓이는 스택으로, LIFO(Last In First Out) 방식으로 실행됩니다.
콜 스택을 통해 JavaScript가 싱글 스레드 기반으로 동작하는 원리를 이해할 수 있습니다.
콜 스택 예시
j
const foo = () => {
bar();
console.log('foo');
}
const bar = () => {
console.log('bar');
}
foo();
console.log('foo and bar');
JavaScript
복사
위 코드를 실행하면 출력 순서는 다음과 같습니다:
bar
foo
foo and bar
Plain Text
복사
콜 스택의 동작 순서:
1.
foo 함수 실행
2.
foo 함수 내부에서 bar 함수 실행
3.
console.log('bar') 실행 후 콜 스택에서 제거
4.
bar 함수 종료 후 콜 스택에서 제거
5.
foo 함수로 돌아와 console.log('foo') 실행 후 콜 스택에서 제거
6.
foo 함수 종료 후 콜 스택에서 제거
7.
console.log('foo and bar')가 콜 스택에 추가, 실행 후 제거
JavaScript의 비동기 처리
JavaScript 엔진은 자체적으로 비동기 API를 지원하지 않습니다. 비동기, 논블로킹 작업들은 JavaScript 엔진을 구동하는 런타임 환경(브라우저나 Node.js)에서 담당합니다.
이벤트 루프와 태스크 큐
JavaScript 엔진과 런타임 환경이 결합되어 비동기 처리를 지원합니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:
•
이벤트 루프(event loop): 콜 스택과 태스크 큐를 관리하며, 콜 스택이 비어 있을 때 태스크 큐에서 콜백 함수를 가져와 실행합니다.
•
태스크 큐(task queue): 비동기 작업의 콜백 함수들이 대기하는 공간입니다. FIFO(First In First Out) 방식을 따릅니다.
•
Web API: 브라우저에서 지원하는 비동기 API로, DOM 이벤트, AJAX, setTimeout 등이 있습니다.
비동기 작업의 실행 순서
1.
비동기 작업을 포함한 코드가 호출 스택에 쌓이고 실행됩니다.
2.
비동기 작업은 Web API에게 위임 됩니다.
3.
Web API는 비동기 작업을 완료한 후 콜백 함수를 태스크 큐에 전달합니다.
4.
이벤트 루프는 콜스택이 비어 있을 때 태스크 큐에서 콜백 함수를 가져와 실행합니다.
비동기 예시
console.log('1');
setTimeout(() => console.log('2'), 1000);
console.log('3');
JavaScript
복사
위 코드를 실행하면 다음과 같은 순서로 출력됩니다:
1
3
2
Plain Text
복사
setTimeout의 콜백 함수는 Web API에 의해 비동기적으로 처리되며, 태스크 큐에 전달된 후 콜스택이 비었을 때 실행됩니다.
태스크 큐와 콜 스택의 관계
비동기 함수 setTimeout을 0초로 설정해도 결과는 동일합니다.
console.log('1');
setTimeout(() => console.log('2'), 0);
console.log('3');
JavaScript
복사
출력 순서:
1
3
2
Plain Text
복사
setTimeout의 딜레이 시간은 정확한 시간이 아니며, 콜백 함수가 태스크 큐에 쌓여도 콜스택의 작업량에 따라 실행 시간이 지연될 수 있습니다.
효율적인 비동기 코드 작성
JavaScript의 작동 원리를 이해하면, 비동기 코드를 더 효율적으로 작성할 수 있습니다. 콜 스택에 많은 함수가 쌓이면 다른 태스크들을 블로킹할 수 있습니다. 이는 UI 성능에도 영향을 미칩니다. 따라서, 태스크를 세분화하고, 적절히 비동기 호출을 사용하여 콜스택을 효율적으로 관리하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 긴 작업을 비동기적으로 처리하여 UI가 멈추지 않도록 할 수 있습니다.
const longRunningTask = () => {
// 긴 작업
}
setTimeout(longRunningTask, 0); // 긴 작업을 비동기로 처리
JavaScript
복사
이렇게 하면, 긴 작업이 콜 스택을 블로킹하지 않고 다른 작업들도 병행해서 수행할 수 있게 됩니다.
결론
JavaScript는 싱글 스레드 기반이지만, 런타임 환경과의 조합을 통해 비동기 작업을 효과적으로 처리하고 동시성을 가질 수 있습니다. 이벤트 루프, 콜 스택, 태스크 큐 등을 이해하면 JavaScript의 비동기 작동 방식을 더 잘 이해할 수 있으며, 이를 통해 효율적인 코드를 작성할 수 있습니다.
예시와 이미지
JavaScript의 싱글 스레드 특성을 이해하기 위한 간단한 예를 보겠습니다.
console.log('First');
setTimeout(() => {
console.log('Second');
}, 1000);
console.log('Third');
JavaScript
복사
이 코드를 실행하면 'First', 'Third', 'Second' 순서로 출력됩니다. 이는 JavaScript가 싱글 스레드로 동작하면서도 비동기 작업(setTimeout)을 통해 효율적으로 처리되는 방식을 보여줍니다.
다양한 동작 방식
JavaScript의 비동기 처리 방식에는 콜백, 프로미스, 그리고 async/await가 있습니다.
콜백 함수란 무엇이고 왜 사용해야 할까? 싱글 스레드와의 관련성
콜백 함수란?
콜백 함수란 다른 함수에 인수로 전달되는 함수로, 특정 작업이 완료된 후 실행됩니다. 즉, 콜백 함수는 비동기 작업의 결과를 처리하거나 후속 작업을 수행하는 데 사용됩니다.
function fetchData(callback) {
setTimeout(() => {
const data = { id: 1, name: 'John Doe' };
callback(data);
}, 1000);
}
function displayData(data) {
console.log(`ID: ${data.id}, Name: ${data.name}`);
}
fetchData(displayData);
JavaScript
복사
위 예제에서 fetchData 함수는 1초 후에 데이터를 가져와 displayData 함수(콜백 함수)를 호출합니다.
콜백 함수의 필요성
콜백 함수는 비동기 작업을 처리하는 데 필수적입니다. 비동기 작업은 코드 실행을 블로킹하지 않고, 다른 작업을 수행하면서 대기하는 방식입니다. 이를 통해 애플리케이션의 성능을 높이고, 사용자 경험을 향상시킬 수 있습니다.
콜백 함수와 싱글 스레드의 관계
JavaScript는 싱글 스레드로 동작합니다. 이는 한 번에 하나의 작업만 실행된다는 의미입니다. 하지만 웹 애플리케이션에서는 여러 비동기 작업을 동시에 처리해야 할 때가 많습니다. 여기서 콜백 함수와 이벤트 루프가 중요한 역할을 합니다.
이벤트 루프
이벤트 루프는 JavaScript의 비동기 처리를 가능하게 하는 메커니즘입니다. 콜백 함수는 이벤트 큐에 저장되고, 현재 실행 중인 작업이 완료된 후 이벤트 루프에 의해 호출됩니다.
비동기 작업 예시
다음은 이벤트 루프와 콜백 함수가 어떻게 상호 작용하는지 보여주는 예시입니다.
console.log('First');
setTimeout(() => {
console.log('Second');
}, 1000);
console.log('Third');
JavaScript
복사
이 코드를 실행하면 'First', 'Third', 'Second' 순서로 출력됩니다. 이는 setTimeout 콜백이 이벤트 큐에 들어가고, 메인 스레드의 작업이 완료된 후 이벤트 루프에 의해 호출되기 때문입니다.
프로미스란 무엇이고 왜 사용해야 할까? 싱글 스레드와의 관련성
프로미스란?
프로미스(Promise)는 비동기 작업의 완료 또는 실패를 나타내는 자바스크립트 객체입니다. 프로미스는 세 가지 상태를 가집니다:
1.
대기(Pending): 비동기 작업이 아직 완료되지 않은 상태
2.
이행(Fulfilled): 비동기 작업이 성공적으로 완료된 상태
3.
거부(Rejected): 비동기 작업이 실패한 상태
프로미스는 비동기 작업을 체인 방식으로 처리할 수 있어 코드의 가독성과 유지보수성을 높입니다.
const myPromise = new Promise((resolve, reject) => {
setTimeout(() => {
resolve('Success!');
}, 1000);
});
myPromise.then((message) => {
console.log(message); // 'Success!'
}).catch((error) => {
console.error(error);
});
JavaScript
복사
위 예제에서 myPromise는 1초 후에 'Success!' 메시지로 이행됩니다. then 메서드는 프로미스가 이행되었을 때 호출되며, catch 메서드는 거부되었을 때 호출됩니다.
프로미스를 사용해야 하는 이유
프로미스는 콜백 함수의 단점을 보완하고, 비동기 작업을 더 효율적으로 처리할 수 있게 합니다.
콜백 지옥 예시
콜백 함수를 중첩해서 사용하면 코드가 복잡해집니다.
doSomething((result1) => {
doSomethingElse(result1, (result2) => {
doThirdThing(result2, (result3) => {
console.log('Done', result3);
});
});
});
JavaScript
복사
프로미스 예시
프로미스를 사용하면 같은 작업을 훨씬 깔끔하게 처리할 수 있습니다.
doSomething()
.then(result1 => doSomethingElse(result1))
.then(result2 => doThirdThing(result2))
.then(result3 => console.log('Done', result3))
.catch(error => console.error(error));
JavaScript
복사
프로미스와 싱글 스레드의 관계
JavaScript는 싱글 스레드로 동작하지만, 프로미스와 같은 비동기 처리 메커니즘을 통해 높은 성능을 유지할 수 있습니다.
이벤트 루프와 프로미스
프로미스는 이벤트 루프와 함께 작동하여 비동기 작업을 처리합니다. 프로미스의 then 및 catch 메서드는 비동기 작업이 완료된 후에 호출되며, 이벤트 큐에 저장됩니다. 메인 스레드의 작업이 완료되면 이벤트 루프가 큐에서 프로미스 콜백을 가져와 실행합니다.
비동기 작업 예시
프로미스와 이벤트 루프가 어떻게 상호 작용하는지 보여주는 예시입니다.
console.log('First');
const myPromise = new Promise((resolve, reject) => {
setTimeout(() => {
resolve('Second');
}, 1000);
});
myPromise.then((message) => {
console.log(message);
});
console.log('Third');
JavaScript
복사
이 코드를 실행하면 'First', 'Third', 'Second' 순서로 출력됩니다. 이는 setTimeout으로 설정된 프로미스가 이벤트 큐에 들어가고, 메인 스레드의 작업이 완료된 후 이벤트 루프에 의해 호출되기 때문입니다.
결론: 싱글 스레드의 장점과 이유
JavaScript가 싱글 스레드인 이유는 동시성 문제를 피하고 안전하고 일관된 실행 환경을 제공하기 위해서입니다. Node.js에서도 이러한 특성을 유지하면서 비동기 I/O와 이벤트 루프를 통해 높은 성능을 구현합니다. 결과적으로, JavaScript의 싱글 스레드 모델은 웹 개발과 서버 개발에서 모두 큰 장점을 제공합니다.
질문과 대답
Q: JavaScript가 싱글 스레드인 이유는 무엇인가요?
A: JavaScript는 동시성 문제를 피하고 안전하고 일관된 사용자 경험을 제공하기 위해 싱글 스레드로 설계되었습니다. 브라우저 환경에서의 충돌 문제를 방지하고, Node.js에서는 이벤트 루프와 비동기 I/O를 통해 높은 성능을 유지할 수 있습니다.
Q: JavaScript의 비동기 처리는 어떻게 이루어지나요?
A: JavaScript의 비동기 처리는 주로 콜백, 프라미스, 그리고 async/await를 통해 이루어집니다. 이벤트 루프는 비동기 작업의 완료를 감지하고, 해당 콜백을 이벤트 큐에서 가져와 실행합니다.
Q: 프로미스의 장점은 무엇인가요?
A: 프로미스는 비동기 작업을 체인 방식으로 처리할 수 있어 코드의 가독성과 유지 보수성을 높입니다. 콜백 지옥을 피하고, 비동기 작업의 상태를 명확히 관리할 수 있습니다.
Q: JavaScript의 싱글 스레드 특성이 성능에 어떤 영향을 미치나요?
A: JavaScript의 싱글 스레드 특성은 동시성 문제를 피하면서도, 비동기 작업을 효율적으로 처리하여 성능을 높일 수 있습니다. Node.js에서는 이벤트 루프와 비동기 I/O를 통해 많은 클라이언트 요청을 효율적으로 처리할 수 있습니다.