구글의 V8 JS 엔진으로 빌드된 JS 런타임 환경인 Node.js의 등장으로 JS는 웹 브라우저를 벗어나 서버 사이드 애플리케이션 개발에서도 사용할 수 있는 언어가 되었다.
하지만 JS는 여전히 웹 브라우저 환경에서 많이 동작하는 클라이언트 사이드이다.
대부분의 프로그래밍 언어는 운영체제나 가상머신 위에서 실행되지만 웹 애플리케이션의 클라이언트 사이드 JS는 브라우저에서 HTML, CSS와 함께 실행된다.
이번 쳅터에서는 브라우저가 HTML, CSS, JS로 작성된 텍스트 문서를 어떻게 파싱하여 브라우저에 렌더링하는지 알아보자.
파싱: 프로그래밍 언어의 문법에 맞게 작성된 텍스트 문서를 읽어 토큰으로 분해해 문법적 의미와 구조를 반영해 트리구조인 파스 트리를 생성하는 과정이다.
렌더링: HTML, CSS, JS로 작성된 문서를 파싱해 브라우저에 시각적으로 출력하는 것
브라우저는 다음과 같은 과정을 거쳐 렌더링을 수행한다.
- 브라우저는 HTML, CSS, JS, 이미지, 폰트 파일 등 렌더링에 필요한 리소스를 요청하고 서버로부터 응답 받는다.
- 브라우저의 렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱해 DOM과 CSSOM을 생성하고 둘을 결합해 렌더 트리를 생성한다.
- 브라우저의 JS 엔진은 서버로부터 응답된 JS를 파싱해 AST(추상 구문 트리)를 생성하고 바이트코드로 변환해 실행하며, JS는 DOM API를 통해 DOM이나 CSSOM을 변경할 수 있다. (변경된 DOM 혹은 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합)
- 렌더 트리를 기반으로 HTML 요소의 레이아웃을 계산하고 브라우저 화면에 HTML 요소를 페인팅한다.
요청과 응답
브라우저의 핵심 기능은 필요한 리소스(HTML, CSS, JS, 이미지, 폰트 등의 정적 파일 혹은 동적 데이터)를 서버에 요청하고 서버로부터 응답 받아 브라우저에 시각적으로 렌더링 하는 것이다.
서버에 요청을 전송하기 위해 브라우저는 주소창을 제공하며 URL의 호스트명이 DNS(도메인 네임 시스템)에 의해 IP 주소로 변환되어 IP에 대하는 서버에 요청을 전송한다.
반드시 브라우저의 주소창을 통해 서버에 정적 파일만을 요청할 수 있는 것은 아니며 JS를 통해 동적으로 서버에 정적/동적 데이터를 요청할 수 있다.
개발자 도구의 Network 패널에서 서버에 요청한 내용과 서버가 응답한 내용을 확인할 수 있다.
HTTP 1.1과 HTTP 2.0
HTTP에 대해서는 이전 글에 정리한 내용이 있으니 참고하도록 하자
HTTP와 HTTP의 역사
HTTP는 Hypertext Transfer Protocol의 약자로, 초기에 하이퍼 텍스트 문서를 주고 받기 위해 설계된 프로토콜이다. 그래서 최초의 HTTP 버전은 오직 HTML 문서만 주고 받을 수 있었다. 이 글을 통해 HTTP의
58cjdcns99.tistory.com
HTTP는 웹에서 브라우저와 서버가 통신하기 위한 프로토콜(규약)이다.
HTTP/1.1은 기본적으로 커넥션당 하나의 요청과 응답만 처리하므로 요청의 개수에 비례해 응답 시간도 증가하는 단점이 있다.
하지만 HTTP/2.0은 여러 리소스의 동시 전송이 가능하기에 HTTP/1.1에 비해 페이지 로드 속도가 약 50% 정도 빠르다고한다.
HTML 파싱과 DOM 생성
브라우저 요청에 의해 서버가 응답한 HTML 문서는 문자열로 이루어진 순수한 텍스트이며 브라우저에 렌더링 하려면 HTML 문서를 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조(객체)로 변환해 메모리에 저장해야 한다.
<!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>
응답받은 HTML 문서를 파싱해 브라우저가 이해할 수 있는 자료구조인 DOM(Document Object Model)을 생성한다.
CSS 파싱과 CSSOM 생성
렌더링 엔진은 HTML을 처음부터 한 줄씩 순차적으로 파싱해 DOM을 생성해 나간다. 렌더링 엔진은 DOM을 생성해 나가다가 CSS를 로드하는 link 태그나 style 태그를 만나면 DOM 생성을 일시 중단한다.
그리고 요청해 얻은 CSS 파일이나 style 태그 내의 CSS를 HTML과 동일한 파싱 과정(바이트 → 문자 → 토큰 → 노드 → CSSOM)을 거치며 해성해 CSSOM을 생성한다. CSS 파싱이 끝나면 HTML 파싱이 멈춘 지점으로 돌아가 HTML 파싱을 이어간다.
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<link rel="stylesheet" href="style.css">
...
link 태그를 만나면 href에 적힌 주소로부터 css 파일을 응답받는다.
body {
font-size: 18px;
}
ul {
list-style-type: none;
}
서버로부터 CSS 파일이 응답되면 파싱과정을 통해 CSSOM을 생성한다.
CSSOM은 CSS의 상속을 반영해 생성되기에 아래와 같은 CSSOM이 생성된다.
렌더 트리 생성
렌더링 엔진은 서버로부터 응답된 HTML과 CSS를 파싱하여 각 DOM과 CSSOM을 생성한다. 이들은 렌더링을 위해 렌더 트리로 결합된다.
렌더 트리는 렌더링을 위한 트리 구조의 자료구조이며 브라우저 화면에서 렌더링 되지 않는 노드(ex: meta 태그, script 태그 등)와 CSS에 의해 비표시(ex: display:none)되는 노드들은 포함하지 않는다.
이후 완성된 렌더 트리는 각 HTML 요소의 레이아웃(위치와 크기)을 계산하는 데에 사용되며 브라우저 화면에 픽셀을 렌더링하는 페인팅 처리에 입력된다.
브라우저의 렌더링 과정은 다음과 같은 이유로 인해 반복해 실행될 수 있다.
- JS에 의한 노드 추가 및 삭제
- 브라우저 창의 리사이징에 의한 뷰포트 크기 변경
- HTML 요소의 레이아웃에 변경을 발생시키는 width/height, margin 등의 스타일 변경
레이아웃 계산(리플로우)과 페인팅을 다시 실행하는(리페인트) 리렌더링은 성능에 악영향을 주는 작업이기에 가급적 리렌더링이 자주 발생하지 않도록 주의해야 한다.
자바스크립트 파싱과 실행
HTML 문서로 파싱한 결과물로서 생성된 DOM은 HTML 문서의 구조와 정보뿐만 아니라 JS 코드를 이용해 HTML 요소와 스타일 등을 변경할 수 있는 DOM API를 제공한다.
script 태그의 src 어트리뷰트에 정의된 JS 파일을 서버에 요청해 로드한 JS 파일이나 script 태그 내의 JS 코드를 파싱하기 위해 JS 엔진에 제어권을 넘긴다.
제어권을 받은 JS엔진은 JS코드를 파싱하며 AST(추상적 구문 트리)를 생성하고, AST를 기반으로 인터프리터가 실행할 수 있는 바이트코드를 생성해 실행한다.
JS 파싱 과 실행이 끝나면 렌더링 엔진으로 다시 제어권을 넘겨준다.
토크나이징
단순한 문자열인 JS 소스코드를 어휘 분석해 문법적인 의미를 갖는 코드의 최소 단위인 토큰들로 분해한다.
파싱
토큰들의 집합을 구문 분석해 AST를 생성한다. AST는 토큰에 문법적 의미와 구조를 반영한 트리 구조의 자료구조이다. AST는 인터프리터나 컴파일러만이 사용하는 것은 아니다. AST를 이용하면 Typescript, Babel, Prettier 같은 트랜스파일러를 구현할 수 있다.
바이트 코드 생성과 실행
파싱의 결과물로서 생성된 AST는 인터프리터가 실행할 수 있는 중간 코드인 바이트 코드로 변환되고 인터프리터에 의해 실행된다. V8엔진의 경우 자주 사용되는 코드는 터보펜이라는 컴파일러에 의해 최적화된 머신 코드로 컴파일되어 성능을 최적화한다. 코드의 사용 빈도가 낮아지면 디옵티마이징하기도 한다.
리플로우와 리페인트
만약 JS 코드에 DOM이나 CSSOM을 조작하는 DOM API가 사용된 경우 DOM이나 CSSOM이 변경된다. 이때 변경된 DOM과 CSSOM은 다시 렌더 트리로 결합되고 변경된 렌더트리를 기반으로 레이아웃과 페인트 과정을 거져 브라우저의 화면에 다시 렌더링된다.
리플로우는 레이아웃 계산을 다시 하는 것을 의미하며, 노드 추가/삭제, 요소의 크기/위치 변경, 윈도우 리사이징 등의 레이아웃에 영향을 주는 변경이 발생한 경우에 한해 실행된다.
리페인트는 재결합된 렌더 트리를 기반으로 다시 페인드하는 것을 말한다.
script 태그의 async/defer 어트리뷰트
<!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>
위의 코드에서는 document.getElementById('apple')은 DOM에서 id가 apple인 HTML 요소를 취득 하지만, document.getElementById('apple')가 실행되는 시점에는 아직 id가 apple인 HTML요소가 파싱되지 않았기에 정상적으로 동작하지 않는다.
JS 파싱에 의한 DOM 생성의 중단 문제를 해결하기 위해 HTML5 부터 script 태그에 async와 defer 어트리뷰트가 추가되었다.
async와 defer 어트리뷰트는 src 어트리뷰트를 통해 외부 JS 파일을 로드하는 경우에만 사용할 수 있다.
<script async src="extern.js"></script>
<script defer src="extern.js"></script>
async와 defer는 모두 HTML 파싱과 외부 JS 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행되지만 JS의 실행 시점에 차이가 있다.
async 어트리뷰트
HTML 파싱과 외부 JS 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. 다만, JS의 파싱과 실행은 JS 파일의 로드가 완료된 직후 진행되며 이때 HTML 파싱이 중단된다. 또한 script 태그 순서와 상관없이 먼저 로드된 파일부터 실행되기에 순서 보장이 되지않는다.
defer 어트리뷰트
HTML 파싱과 외부 JS 파일의 로드가 비동기적으로 동시에 진행된다. JS의 파싱과 실행은 HTML 파싱이 완료되어 DM 생성이 완료된 직후(이때 DOMContentLoaded 이벤트가 발생)에 진행된다. 따라서 DOM 생성이 완료된 이후 실행되야하는 JS에 유용하다.
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