24장 클로저

클로저(closure)는 난해하기로 유명한 자바스크립트의 개념 중 하나다. 하지만 사실 클로저는 자바스크립트 고유의 개념이 아니라 함수를 일급 객체로 취급하는 함수형 프로그래밍 언어에서 사용되는 중요한 특성이다.

MDN에서는 클로저에 대해 다음과 같이 정의하고 있다.

클로저(closure)
“A closure is the combination of a function and the lexical environment within which that function was declared.” 클로저는 함수와 그 함수가 선언된 렉시컬 환경의 조합이다.

정의가 무척 난해한데, 핵심 키워드는 “함수가 선언된 렉시컬 환경”이다.

// 예제 24-01
const x = 1;
 
function outerFunc() {
  const x = 10;
 
  function innerFunc() {
    console.log(x); // 10
  }
 
  innerFunc();
}
 
outerFunc();
 

innerFunc는 outerFunc 내부에서 선언된 중첩 함수다. 따라서 innerFunc의 상위 스코프는 outerFunc의 스코프다. 만약 innerFunc가 outerFunc 내부에서 정의된 게 아니라면 outerFunc 내부에서 호출하더라도 x에 접근할 수 없다.

// 예제 24-02
const x = 1;
 
function outerFunc() {
  const x = 10;
  innerFunc();
}
 
function innerFunc() {
  console.log(x); // 1
}
 
outerFunc();
 

이 현상은 자바스크립트가 렉시컬 스코프를 따르는 프로그래밍 언어이기 때문이다.

24.1 렉시컬 스코프

자바스크립트 엔진은 함수를 어디서 호출했는지가 아니라 함수를 어디에 정의했는지에 따라 상위 스코프를 결정한다. 이를 렉시컬 스코프(정적 스코프)라 한다.

// 예제 24-03
const x = 1;
 
function foo() {
  const x = 10;
  bar();
}
 
function bar() {
  console.log(x);
}
 
foo(); // 1
bar(); // 1
 
// 예제 24-02에서 본 바와 같이
// bar() 함수가 정의된 위치가 foo() 함수 외부기 때문에 foo() 함수 내의 bar() 함수가 실행되어도 x는 1이 나온다!

함수의 상위 스코프는 함수 정의가 평가되는 시점에 함수가 정의된 환경(위치)에 의해 결정된다.

24.2 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]

함수가 정의된 환경(위치)과 호출되는 환경(위치)은 다를 수 있다. 따라서 렉시컬 스코프가 가능하려면 함수는 자신이 호출되는 환경과 상관없이 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프를 기억해야 한다.

이를 위해 함수는 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 자신이 정의된 환경, 즉 상위 스코프의 참조를 저장한다.

상위 스코프 결정 과정

1. 함수 정의 평가: 전역 코드 평가 시점에 함수 선언문이 평가되어 함수 객체가 생성된다.

2. 상위 스코프 저장: 이때 생성된 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에는 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경(전역 렉시컬 환경)의 참조가 저장된다(위 그림의 1).

3. 함수 호출 및 실행: 함수가 호출되어 함수 실행 컨텍스트가 생성되면, 함수 렉시컬 환경의 ‘외부 렉시컬 환경에 대한 참조’에는 함수 객체의 [[Environment]]에 저장된 참조값이 할당된다(위 그림의 2, 3).

즉, 함수 객체의 내부 슬롯 [[Environment]]에 저장된 렉시컬 환경의 참조가 바로 상위 스코프다.

24.3 클로저와 렉시컬 환경

다음 예제를 통해 클로저의 동작 원리를 실행 컨텍스트의 관점에서 단계별로 살펴보자.

// 예제 24-05
const x = 1;
 
// 1.
function outer() {
  const x = 10;
  const inner = function () { console.log(x); }; // (2)
  return inner;
}
 
// outer 함수를 호출하면 중첩 함수 inner를 반환한다.
// 그리고 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거된다.
const innerFunc = outer(); // (3)
innerFunc(); // 10
 

1. 전역 코드 평가 및 실행

전역 코드가 실행되면 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 전역 렉시컬 환경이 생성된다. 이때 outer 함수 객체는 내부 슬롯 [[Environment]]에 전역 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장한다.

2. outer 함수 호출과 렉시컬 환경 생성

outer 함수가 호출되면(3), outer 함수의 렉시컬 환경이 생성된다. 이때 outer 함수 내부의 중첩 함수 inner가 평가된다(2. 함수 표현식).

inner는 자신의 내부 슬롯 [[Environment]]에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경, 즉 outer 함수의 렉시컬 환경을 상위 스코프로서 저장한다.

3. outer 함수 실행 종료와 상태 유지

outer 함수의 실행이 종료되면 outer 함수의 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 제거(pop)된다. 이때 outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아니다.

1. outer 함수의 실행 컨텍스트는 제거되지만, outer 함수의 렉시컬 환경은 inner 함수의 [[Environment]] 내부 슬롯에 의해 참조되고 있다.
2. 그리고 inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있다.
3. 가비지 컬렉터는 누군가가 참조하고 있는 메모리 공간을 해제하지 않는다.

따라서 outer 함수의 렉시컬 환경은 소멸하지 않고 유지된다.

4. innerFunc 함수 호출

전역 변수 innerFunc를 통해 inner 함수를 호출하면 inner 함수의 실행 컨텍스트가 생성된다. inner 함수의 렉시컬 환경의 “외부 렉시컬 환경에 대한 참조”에는 inner 함수 객체의 [[Environment]]에 저장된 참조값(죽지 않고 살아있는 outer 함수의 렉시컬 환경)이 할당된다.

따라서 inner 함수 내부에서 x에 접근할 때 다음 순서로 탐색한다.

1. inner 함수 렉시컬 환경에서 x 검색 (실패)
2. 상위 스코프인 outer 함수 렉시컬 환경에서 x 검색 (성공: 10)

동작 원리
outer 함수의 실행 컨텍스트는 스택에서 제거되지만, outer 함수의 렉시컬 환경까지 소멸하는 것은 아니다. inner 함수의 [[Environment]] 내부 슬롯이 outer 함수의 렉시컬 환경을 참조하고 있고, inner 함수는 전역 변수 innerFunc에 의해 참조되고 있다. 가비지 컬렉터는 누군가가 참조하고 있는 메모리 공간을 해제하지 않으므로, outer 함수의 렉시컬 환경은 유지된다.

클로저의 조건

이처럼 외부 함수보다 중첩 함수가 더 오래 유지되는 경우 중첩 함수는 이미 생명 주기가 종료한 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다. 이러한 중첩 함수를 클로저(closure)라고 부른다.

자바스크립트의 모든 함수는 상위 스코프를 기억하므로 이론적으로 모든 함수는 클로저다. 하지만 일반적으로는 다음 두 조건을 만족하는 경우에만 클로저라 부른다.

1. 상위 스코프의 식별자를 참조해야 한다.
상위 스코프의 어떤 식별자도 참조하지 않는 경우, 모던 브라우저는 메모리 낭비를 막기 위해 상위 스코프를 기억하지 않는다. (참조하지 않는 식별자는 기억할 필요가 없으므로)

2. 외부 함수보다 중첩 함수의 생명 주기가 길어야 한다.
외부 함수보다 중첩 함수가 일찍 소멸한다면, 생명 주기가 종료된 외부 함수의 변수를 참조할 수 있다는 클로저의 본질에 부합하지 않는다.

정리
클로저는 중첩 함수가 상위 스코프의 식별자를 참조하고 있고 중첩 함수가 외부 함수보다 더 오래 유지되는 경우에 한정하는 것이 일반적이다.

이때 클로저에 의해 참조되는 상위 스코프의 변수를 **자유 변수(free variable)**라고 부른다. 클로저(closure)란 “함수가 자유 변수에 대해 닫혀있다(closed)“라는 의미로, “자유 변수에 묶여있는 함수”라고 이해할 수 있다.

24.4 클로저의 활용

클로저는 상태(state)를 안전하게 변경하고 유지하기 위해 사용한다.
다시 말해, 상태가 의도치 않게 변경되지 않도록 상태를 안전하게 은닉(information hiding) 하고 특정 함수에게만 상태 변경을 허용하기 위해 사용한다.

함수가 호출될 때마다 횟수를 누적하여 출력하는 카운터 예제를 통해 살펴보자.

잘못된 예제 1: 전역 변수 사용

// 예제 24-09
let num = 0; // 카운트 상태 변수 (전역 변수)
 
const increase = function () {
  return ++num;
};
 
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
 

위 코드는 잘 동작하지만 치명적인 단점이 있다. num이 전역 변수이기 때문에 increase 함수뿐만 아니라 어디서든 누구나 num을 변경할 수 있다(암묵적 결합). 만약 누군가 의도치 않게 num 값을 변경하면 카운터 기능은 망가진다.

잘못된 예제 2: 지역 변수 사용

안전하게 변경하기 위해 num을 increase 함수의 지역 변수로 넣어보자.

// 예제 24-10
const increase = function () {
  let num = 0; // 카운트 상태 변수 (지역 변수)
  return ++num;
};
 
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 1
 

이제 num은 안전해졌지만, 함수가 호출될 때마다 num이 0으로 다시 초기화되므로 상태가 유지되지 않는다.

올바른 해결책: 클로저 사용

상태를 안전하게 은닉하면서도(전역 변수 문제 해결), 함수 호출과 무관하게 상태를 유지하려면(지역 변수 문제 해결) 클로저를 사용해야 한다.

// 예제 24-11
// 카운트 상태 변경 함수
const increase = (function () {
  // 카운트 상태 변수
  let num = 0;
 
  // 클로저
  return function () {
    // 카운트 상태를 1만큼 증가시킨다.
    return ++num;
  };
}());
 
console.log(increase()); // 1
console.log(increase()); // 2
console.log(increase()); // 3
 

1. 위 코드가 실행되면 즉시 실행 함수가 호출되고, 즉시 실행 함수가 반환한 함수가 increase 변수에 할당된다.
2. increase 변수에 할당된 함수는 자신이 정의된 위치인 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경을 기억하는 클로저다.
3. 즉시 실행 함수는 호출 직후 소멸되지만, 즉시 실행 함수의 렉시컬 환경은 클로저(increase)에 의해 참조되고 있으므로 소멸하지 않는다.
4. 따라서 num 변수는 계속 유지되며, 외부에서 직접 접근할 수 없는 은닉된 변수(private 변수)가 된다.

함수형 프로그래밍에서의 활용

함수형 프로그래밍에서는 외부 상태 변경이나 가변 데이터를 피하고 불변성을 지향한다. 여기서도 클로저는 적극적으로 활용된다.

// 예제 24-14
// 함수를 인수로 전달받고 함수를 반환하는 고차 함수
// 이 함수는 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수 counter를 기억하는 클로저를 반환한다.
function makeCounter(predicate) {
  // 카운트 상태를 유지하기 위한 자유 변수
  let counter = 0;
 
  // 클로저를 반환
  return function () {
    // 인수로 전달받은 보조 함수에 상태 변경을 위임한다.
    counter = predicate(counter);
    return counter;
  };
}
 
// 보조 함수
function increase(n) {
  return ++n;
}
 
// 보조 함수
function decrease(n) {
  return --n;
}
 
// 함수로 함수를 생성한다.
// makeCounter 함수는 보조 함수를 인수로 전달받아 함수를 반환한다.
const increaser = makeCounter(increase); // (1)
console.log(increaser()); // 1
console.log(increaser()); // 2
 
// increaser 함수와는 별개의 독립된 렉시컬 환경을 갖기 때문에 카운터 상태가 연동하지 않는다.
const decreaser = makeCounter(decrease); // (2)
console.log(decreaser()); // -1
console.log(decreaser()); // -2
 

주의할 점: makeCounter 함수를 호출할 때마다 새로운 실행 컨텍스트와 렉시컬 환경이 생성된다. 즉, increaser와 decreaser는 각각 자신만의 독립된 렉시컬 환경(각각의 counter 변수)을 갖는다.

만약 카운터의 상태를 공유하고 싶다면 렉시컬 환경을 공유하는 클로저를 만들어야 한다. (예제 24-15처럼 즉시 실행 함수 등으로 한 번만 호출되게 하여 렉시컬 환경을 하나만 생성하고 공유하게 만듦)

24.5 캡슐화와 정보 은닉

캡슐화(encapsulation) 는 객체의 상태를 나타내는 프로퍼티와 프로퍼티를 참조하고 조작할 수 있는 동작인 메서드를 하나로 묶는 것을 말한다. 캡슐화는 객체의 특정 프로퍼티나 메서드를 감출 목적으로 사용하기도 하는데 이를 정보 은닉(information hiding) 이라 한다.

자바스크립트는 public, private, protected 같은 접근 제한자를 제공하지 않는다. (ES2019 이전 기준) 따라서 자바스크립트 객체의 모든 프로퍼티와 메서드는 기본적으로 public하다.

1. 생성자 함수 내부에서 메서드 정의하기

// 예제 24-16
function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age;   // private
 
  // 인스턴스 메서드 (특권 메서드)
  this.sayHi = function () {
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
}
 
const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
console.log(me.name); // Lee
console.log(me._age); // undefined
 
const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim. I am 30.
console.log(you.name); // Kim
console.log(you._age); // undefined
 

name 프로퍼티는 외부에서 자유롭게 접근할 수 있지만, _age 변수는 Person 생성자 함수의 지역 변수이므로 외부에서 참조하거나 변경할 수 없다. 즉, private하다. sayHi 메서드는 생성자 함수 내부에서 정의된 중첩 함수(클로저)이므로 지역 변수 _age에 접근할 수 있다.

문제점: sayHi 메서드가 인스턴스를 생성할 때마다 중복 생성된다. 메서드를 중복 생성하지 않으려면 프로토타입 메서드로 변경해야 한다.

2. 프로토타입 메서드로 변경하기

// 예제 24-17
function Person(name, age) {
  this.name = name; // public
  let _age = age;   // private
}
 
// 프로토타입 메서드
Person.prototype.sayHi = function () {
  // Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없다!
  console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
};
 

이 경우 Person.prototype.sayHi 메서드는 Person 생성자 함수의 지역 변수 _age를 참조할 수 없는 문제가 발생한다.

3. 즉시 실행 함수(IIFE)와 클로저를 이용한 해결

생성자 함수와 프로토타입 메서드를 하나의 즉시 실행 함수로 묶어서 _age 변수를 공유하는 렉시컬 환경을 만들어보자.

// 예제 24-18
const Person = (function () {
  let _age = 0; // private
 
  // 생성자 함수
  function Person(name, age) {
    this.name = name; // public
    _age = age;
  }
 
  // 프로토타입 메서드
  Person.prototype.sayHi = function () {
    console.log(`Hi! My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
 
  // 생성자 함수를 반환
  return Person;
}());
 
const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 20.
 
const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // Hi! My name is Kim. I am 30.
 
// _age 변수 값이 변경된다!
me.sayHi(); // Hi! My name is Lee. I am 30.
 

즉시 실행 함수가 반환하는 Person 생성자 함수와 Person 생성자 함수의 인스턴스가 상속받아 호출할 Person.prototype.sayHi 메서드는 즉시 실행 함수의 종료 이후에도 _age 변수를 참조할 수 있는 클로저다.

하지만 이 방식에도 심각한 문제가 있다.

치명적 단점:
Person.prototype.sayHi 메서드는 단 한 번 생성되는 클로저다. 따라서 여러 인스턴스가 생성되더라도 하나의 동일한 상위 스코프(_age가 있는 렉시컬 환경)를 사용하게 된다.

즉, 어떤 인스턴스에서 _age를 변경하더라도 모든 인스턴스에 적용되는(상태가 공유되는) 문제가 발생한다.

결론

자바스크립트(ES6 이전)는 정보 은닉을 완전하게 지원하지 않는다. 인스턴스 메서드를 사용하면 메모리 낭비가 발생하고, 프로토타입 메서드와 클로저를 사용하면 상태가 공유되는 문제가 발생한다.

다행히 2021년 1월, 클래스에 private 필드(#)를 정의할 수 있는 새로운 표준 사양이 제안되었고 현재 최신 브라우저와 Node.js에 이미 구현되어 있다. (25장 클래스에서 다룸)

24.6 자주 발생하는 실수

for 문의 변수 선언문에서 var 키워드를 사용하면 블록 레벨 스코프가 아닌 함수 레벨 스코프를 갖기 때문에 발생하는 문제다.

// 예제 24-20
var funcs = [];
 
for (var i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; }; // ①
}
 
for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]()); // ②
}
 

위 예제의 결과는 0, 1, 2가 될 것 같지만, 실제로는 3, 3, 3이 출력된다. var 키워드로 선언한 i는 전역 변수이기 때문에, funcs 배열의 함수들이 호출되는 시점에는 이미 3이 된 전역 변수 i를 참조하기 때문이다.

해결 방법 1: let 키워드 사용

ES6의 let 키워드를 사용하면 번거로운 클로저 처리 없이 깔끔하게 해결된다.

// 예제 24-22
const funcs = [];
 
for (let i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; };
}
 
for (let i = 0; i < funcs.length; i++) {
  console.log(funcs[i]()); // 0 1 2
}
 

let 키워드로 선언한 변수를 사용하면 for 문의 코드 블록이 반복 실행될 때마다 새로운 렉시컬 환경이 생성된다.

동작 원리 상세:

1. 초기화 시점: for 문이 평가되면 먼저 새로운 렉시컬 환경(LOOP Lexical Environment) 을 생성하고 초기화 변수(i)를 등록한다.
2. 반복 실행 시점: 코드 블록이 반복 실행될 때마다 새로운 렉시컬 환경(PER-ITERATION Lexical Environment) 을 생성하고, 당시의 식별자와 값을 등록한다. 즉, 반복할 당시의 상태를 마치 스냅샷을 찍는 것처럼 저장한다.
3. 종료 시점: 반복 실행이 모두 종료되면 실행 중인 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경을 for 문 실행 이전으로 되돌린다.

단, 반복문이 생성하는 새로운 렉시컬 환경은 반복문 내부에서 함수를 정의하여 그 함수가 렉시컬 환경을 참조하고 있을 때만 의미가 있다. 아무도 참조하지 않는다면 가비지 컬렉션의 대상이 된다.

해결 방법 2: 고차 함수 사용

함수형 프로그래밍 기법인 고차 함수를 사용하는 방법도 있다. 변수와 반복문의 사용을 억제하여 오류를 줄이고 가독성을 높일 수 있다.

// 예제 24-23
// 요소가 3개인 배열을 생성하고 배열의 인덱스를 반환하는 함수를 요소로 추가한다.
// 배열의 요소로 추가된 함수들은 모두 클로저다.
const funcs = Array.from(new Array(3), (_, i) => () => i); // (3) [f, f, f]
 
// 배열의 요소로 추가된 함수들을 순차적으로 호출한다.
funcs.forEach(f => console.log(f())); // 0 1 2
 

연습 문제

문제 1. 렉시컬 스코프의 이해

다음 코드의 실행 결과는 무엇이며, 그 이유는 무엇인가?

const x = 1;
 
function foo() {
  const x = 10;
  bar();
}
 
function bar() {
  console.log(x);
}
 
foo();
bar();
 

문제 2. 클로저와 독립된 렉시컬 환경

다음 코드의 실행 결과 (A), (B), (C)는 무엇인가?

function makeCounter(predicate) {
  let counter = 0;
 
  return function () {
    counter = predicate(counter);
    return counter;
  };
}
 
function increase(n) { return ++n; }
function decrease(n) { return --n; }
 
const increaser = makeCounter(increase);
console.log(increaser()); // (A)
console.log(increaser()); // (B)
 
const decreaser = makeCounter(decrease);
console.log(decreaser()); // (C)
 

문제 3. 클로저를 이용한 정보 은닉

다음 코드는 즉시 실행 함수(IIFE)를 사용하여 카운터를 구현한 것이다. 실행 결과 (A), (B), (C)를 예측하시오.

const counter = (function () {
  let num = 0; // private 변수
 
  return {
    increase() {
      return ++num;
    },
    decrease() {
      return --num;
    }
  };
}());
 
console.log(counter.increase()); // (A)
console.log(counter.increase()); // (B)
console.log(counter.decrease()); // (C)
 

문제 4. 프로토타입 메서드와 클로저의 상태 공유 문제

다음 코드는 생성자 함수와 프로토타입 메서드를 IIFE로 묶어 _age를 은닉하려 한 것이다. 마지막 줄의 me.sayHi() 실행 결과는 무엇이며, 그 이유는 무엇인가?

const Person = (function () {
  let _age = 0; // shared private variable
 
  function Person(name, age) {
    this.name = name;
    _age = age;
  }
 
  Person.prototype.sayHi = function () {
    console.log(`My name is ${this.name}. I am ${_age}.`);
  };
 
  return Person;
}());
 
const me = new Person('Lee', 20);
me.sayHi(); // My name is Lee. I am 20.
 
const you = new Person('Kim', 30);
you.sayHi(); // My name is Kim. I am 30.
 
me.sayHi(); // (질문: 실행 결과는?)
 

문제 5. 반복문과 클로저의 실수

다음 코드의 실행 결과는 무엇인가? 만약 의도치 않은 결과가 나온다면, ES6 문법을 사용하여 0, 1, 2가 출력되도록 코드를 수정하시오.

var funcs = [];
 
for (var i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; };
}
 
for (var j = 0; j < funcs.length; j++) {
  console.log(funcs[j]());
}
 

// var -> let으로 변경
for (let i = 0; i < 3; i++) {
  funcs[i] = function () { return i; };
}