42장 비동기 프로그래밍

42.1 동기 처리와 비동기 처리

함수를 호출하면 함수 코드가 평가되어 함수 실행 컨텍스트가 생성된다. 이때 생성된 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택(콜 스택)에 푸시되고 함수 코드가 실행된다. 함수 코드의 실행이 종료하면 함수 실행 컨텍스트는 실행 컨텍스트 스택에서 팝되어 제거된다.

자바스크립트 엔진은 단 하나의 실행 컨텍스트 스택을 갖는다. 이는 함수를 실행할 수 있는 창구가 단 하나이며, 동시에 2개 이상의 함수를 실행할 수 없다는 것을 의미한다. 처리에 시간이 걸리는 태스크를 실행하는 경우 **블로킹(작업 중단)**이 발생한다.

동기(Synchronous) 처리

현재 실행 중인 태스크가 종료할 때까지 다음 태스크가 대기하는 방식이다.

• 장점: 태스크를 순서대로 하나씩 처리하므로 실행 순서가 보장된다.
• 단점: 앞선 태스크가 종료될 때까지 이후 태스크들이 블로킹된다.

function sleep(func, delay) {
  const delayUntil = Date.now() + delay;
  while (Date.now() < delayUntil); // 일정 시간(delay) 동안 반복문 실행 (블로킹)
  func();
}
 
function foo() {
  console.log('foo');
}
 
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
sleep(foo, 3 * 1000); // 3초 이상 실행
bar(); // sleep 함수가 종료된 이후에 호출되므로 3초 이상 블로킹된다.
// (3초 흐른 뒤) foo 호출 -> bar 호출

비동기(Asynchronous) 처리

현재 실행 중인 태스크가 종료되지 않은 상태라 해도 다음 태스크를 곧바로 실행하는 방식이다.

• 장점: 블로킹이 발생하지 않는다.
• 단점: 실행 순서가 보장되지 않는다.
• 예시: setTimeout, setInterval, HTTP 요청, 이벤트 핸들러

function foo() {
  console.log('foo');
}
 
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
setTimeout(foo, 3 * 1000); // 타이머 설정 후 즉시 종료 (블로킹 X)
bar(); // 대기하지 않고 곧바로 실행
// bar 호출 -> (3초 흐른 뒤) foo 호출

42.2 이벤트 루프와 태스크 큐

자바스크립트는 싱글 스레드로 동작하지만, 브라우저가 동작하는 것을 보면 많은 태스크가 동시에 처리되는 것처럼 느껴진다. 이러한 **동시성(Concurrency)**을 지원하는 것이 바로 **이벤트 루프(Event Loop)**다.

이벤트 루프는 브라우저에 내장되어 있는 기능 중 하나다.

브라우저 환경의 구조

구글의 V8 자바스크립트 엔진을 비롯한 대부분의 자바스크립트 엔진은 크게 2개의 영역으로 구분할 수 있다.

1. 자바스크립트 엔진

   • 콜 스택(Call Stack): 소스코드 평가 과정에서 생성된 실행 컨텍스트가 추가되고 제거되는 스택 자료구조.
   • 힙(Heap): 객체가 저장되는 메모리 공간. 콜 스택의 요소인 실행 컨텍스트는 힙에 저장된 객체를 참조한다.

2. 브라우저 환경 비동기 처리에서 소스코드의 평가와 실행을 제외한 모든 처리는 자바스크립트 엔진을 구동하는 환경인 브라우저 또는 Node.js가 담당한다.

   • 태스크 큐(Task Queue): setTimeout이나 setInterval과 같은 비동기 함수의 콜백 함수 또는 이벤트 핸들러가 일시적으로 보관되는 영역이다.
   • 이벤트 루프(Event Loop): 콜 스택에 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 있는지, 그리고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있는지 반복해서 확인한다. 콜 스택이 비어 있고 태스크 큐에 대기 중인 함수가 있다면 순차적으로 태스크 큐에 대기 중인 함수를 콜 스택으로 이동시킨다.

태스크 큐와 마이크로태스크 큐

자바스크립트 엔진은 태스크 큐(Task Queue) 외에도 **마이크로태스크 큐(Microtask Queue)**를 관리한다. 이 둘은 우선순위와 용도가 다르다.

1. 마이크로태스크 큐 (Microtask Queue)

   • 우선순위가 높다. (태스크 큐보다 먼저 실행됨)
   • 대상: 프로미스(Promise)의 후속 처리 메서드(then, catch, finally)의 콜백 함수, MutationObserver 등.
   • 이벤트 루프는 콜 스택이 비게 되면 먼저 마이크로태스크 큐를 확인하여, 대기 중인 모든 작업을 순차적으로 꺼내어 실행한다.

2. 태스크 큐 (Task Queue / Macrotask Queue)

   • 우선순위가 낮다.
   • 대상: 타이머 함수(setTimeout, setInterval)의 콜백 함수, HTTP 요청(XHR) 이벤트 핸들러, UI 렌더링 등.
   • 마이크로태스크 큐가 완전히 비어야만 태스크 큐의 작업을 하나씩 꺼내어 실행한다.

실행 순서 요약 Call Stack (동기 코드) -> Microtask Queue (모두 처리) -> Task Queue (하나 처리) -> … 반복

동작 과정 상세 분석

function foo() {
  console.log('foo');
}
 
function bar() {
  console.log('bar');
}
 
setTimeout(foo, 0); // 0초(실제는 4ms) 후에 foo 함수가 호출된다.
bar();

1. 전역 코드가 평가되어 전역 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시된다.
2. 전역 코드가 실행되기 시작하여 setTimeout 함수가 호출된다. 이때 setTimeout 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 현재 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.
3. setTimeout 함수가 실행되면 콜백 함수를 호출 스케줄링하고 종료되어 콜 스택에서 팝된다.
4. 이때 브라우저가 수행하는 4-1과 자바스크립트 엔진이 수행하는 4-2는 병행 처리된다.
   • 4-1 (브라우저): 타이머를 설정하고 타이머의 만료를 기다린다. 이후 타이머가 만료되면 콜백 함수 foo가 태스크 큐에 푸시된다.
   • 4-2 (JS 엔진): bar 함수가 호출되어 bar 함수의 함수 실행 컨텍스트가 생성되고 콜 스택에 푸시되어 실행된다. 이후 종료되어 팝된다.
5. 전역 코드 실행이 종료되고 전역 실행 컨텍스트가 콜 스택에서 팝된다. 콜 스택에는 아무런 실행 컨텍스트도 존재하지 않게 된다.
6. 이벤트 루프에 의해 콜 스택이 비어 있음이 감지되고, 태스크 큐에서 대기 중인 콜백 함수 foo가 콜 스택에 푸시된다. 이후 foo 함수가 실행된다.

핵심 메시지

자바스크립트 엔진은 싱글 스레드 방식으로 동작한다. 하지만 브라우저는 멀티 스레드로 동작한다.

과제: 퀴즈

퀴즈 1

자바스크립트 엔진과 브라우저 환경의 관계에서, 실제로 비동기 작업을 수행(타이머 설정, HTTP 요청 전송 등)하는 주체는 누구인가?

퀴즈 2

태스크 큐(Macrotask Queue)와 마이크로태스크 큐(Microtask Queue) 중 어느 것의 우선순위가 더 높은가?

퀴즈 3

다음 코드의 출력 순서는?

setTimeout(() => console.log('A'), 0);
console.log('B');
Promise.resolve().then(() => console.log('C'));
console.log('D');

퀴즈 4

동기 처리와 비동기 처리의 가장 큰 차이점은 무엇인가? (블로킹 관점)

퀴즈 5

이벤트 루프가 **태스크 큐(또는 마이크로태스크 큐)**에서 대기 중인 함수를 콜 스택으로 가져오기 위한 필수 조건은 무엇인가?

추천 자료

• MDN - Event Loop 
• What the heck is the event loop anyway? (Youtube) 
• JavaScript Visualizer 9000 
• Modern JavaScript Deep Dive 42장