모던 자바스크립트 Deep Dive / 23장 실행 컨텍스트 (1)

실행 컨텍스트는 자바스크립트의 동작 원리를 담고 있는 핵심 개념이다.

실행 컨텍스트를 바르게 이해하면 자바스크립트가 스코프를 기반으로 식별자와 식별자에

바인딩된 값(식별자 바인딩)을 관리하는 방식과 호이스팅이 발생하는 이유, 클로저의 동작 방식,

그리고 태스크 큐와 함께 동작하는 이벤트 핸들러와 비동기 처리의 동작 방식을 이해할 수 있다.

소스코드의 타입

ECMAScript 사양은 소스코드를 4가지 타입으로 구분한다.

4가지 타입의 소스 코드는 실행 컨텍스트를 생성한다.

소스코드의 타입	설명
전역 코드	전역에 존재하는 소스코드를 말한다. 전역에 정의된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함하지 않는다.
함수 코드	함수 내부에 존재하는 소스코드를 말한다. 함수 내부에 중첩된 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함하지 않는다.
eval 코드	빌트인 전역 함수인 eval 함수에 인수로 전달되어 실행되는 소스코드를 말한다.
모듈 코드	모듈 내부에 존재하는 소스코드를 말한다. 모듈 내부의 함수, 클래스 등의 내부 코드는 포함되지 않는다.

 

소스코드(실행 가능한 코드)를 4가지 타입으로 구분하는 이유는

소스코드의 타입에 따라 실행 컨텍스트를 생성하는 과정과 관리 내용이 다르기 때문이다.

 

1. 전역 코드

전역 코드는 전역 변수를 관리하기 위해 최상위 스코프인 전역 스코프를 생성해야 한다.

그리고 var 키워드로 선언된 전역 변수와 함수 선언문으로 정의된 전역 함수를

전역 객체의 프로퍼티와 메서드로 바인딩하고 참조하기 위해 전역 객체와 연결되어야 한다.

이를 위해 전역 코드가 평가되면 전역 실행 컨텍스트가 생성된다.

 

2. 함수 코드

함수 코드는 지역 스코프를 생성하고 지역 변수, 매개 변수, arguments 객체를 관리해야 한다.

그리고 생성한 지역 스코프를 전역 스코프에서 시작하는 스코프 체인의 일원으로 연결해야 한다.

이를 위해 함수 코드가 평가되면 함수 실행 컨텍스트가 생성된다.

 

3. eval 코드

eval 코드는 strict mode에서 자신만의 독자적인 스코프를 생성한다. -> eval 실행 컨텍스트

 

4. 모듈 코드

모듈 코드는 모듈별로 독립적인 모듈 스코프를 생성한다. -> 모듈 실행 컨텍스트

 

소스코드의 평가와 실행

모든 소스코드는 실행에 앞서 평가 과정을 거치며 코드를 실행하기 위한 준비를 한다.

즉 자바스크립트 엔진은 "소스코드 평가"와 "소스코드 실행" 과정으로 나누어 처리한다.

 

평가 과정에서는 실행 컨텍스트를 생성하고 변수, 함수 등의 선언문만 먼저 실행하여

생성된  변수나 함수 식별자를 키로 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프

(렉시컬 환경의 환경 레코드)에 등록한다.

 

평가 과정이 끝나면 선언문을 제외한 소스코드가 순차적으로 실행되기 시작한다.

즉, 런타임이 시작된다. 이때 소스코드 실행에 필요한 정보, 즉 변수나 함수의 참조를

실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에서 검색해서 취득한다. 그리고 변수 값의 변경 등

소스코드의 실행 결과는 다시 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록된다.

var x;
x = 1;

 

위 예제가 실행된다고 생각해보자.

 

우선 자바스크립트 엔진은 var x; 부터 실행시킨다. 이때 생성된 변수 식별자 x는

실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록되고  undefined로 초기화된다. (평가 과정)

 

런타임이 실행되고 이미 실행 완료된 선언문 제외 변수 할당문 x = 1;이 실행된다.

이때 먼저 x 변수가 선언돼 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프에 등록되어 있는지 확인한다.

선언된 변수라면 값을 할당하고 할당 결과를 실행 컨텍스트에 등록하여 관리한다. (실행 과정)

 

+ 전역 함수에서 선언되지 않은 변수에 값을 할당하면 암묵적 전역으로 전역 객체의

프로퍼티가 되는데 전역 함수에서 실행 컨텍스트가 관리하는 스코프는 전역 스코프이므로

결국 선언되지 않은 변수도 실행 컨텍스트에 등록된다고 한다.

실행 컨텍스트의 역할

아래의 예제가 실행되면 자바스크립트 엔진이 이 예제를 어떻게 평가하고 실행하는지 알아보자.

// 전역 코드 평가
// 전역 코드 실행
const x = 1;
const y = 2;

// 함수 코드 평가
// 함수 코드 실행
function foo(a) {
  const x = 10;
  const y = 20;
  console.log(a + x + y);
}

foo(100);

console.log(x + y);

 

1. 전역 코드 평가

전역 코드를 실행하기에 앞서 먼저 전역 코드 평가 과정을 거치며 실행하기 위한 준비를 한다.

소스코드 평가 과정에서는 선언문만 먼저 실행하므로 변수&함수 선언문이 먼저 실행된다.

그 결과 생성된 전역 변수와 전역 함수가 실행 컨텍스트가 관리하는 전역 스코프에 등록된다.

var 키워드로 선언한 전역 변수와 함수 선언문으로 정의돈 전역 함수는 전역 객체의

프로퍼티와 메서드가 된다.

 

2. 전역 코드 실행

평가 과정이 끝나면 런타임이 시작되어 전역 코드가 순차적으로 실행된다.

이때 전역 변수에 값이 할당되고 함수가 호출된다. 함수가 호출되면 순차적으로 실행되던

전역 코드의 실행을 일시 중단하고 코드 실행 순서를 변경하여 함수 내부로 진입한다.

 

3. 함수 코드 평가

함수 호출에 의해 코드 실행 순서가 변경되어 함수 내부로 진입하면 함수 내부의 문들을

실행하기에 앞서 함수 코드 평가 과정을 거쳐 실행하기 위한 준비를 한다.

이때 매개변수와 지역 변수 선언문이 먼저 실행되고, 그 결과 생성된 매개변수와

지역 변수가 실행 컨텍스트가 관리하는 지역 스코프에 등록된다. 또한 함수 내부에서

지역 변수처럼 사용할 수 있는 arguments 객체가 생성되어 지역 스코프에 등록되고

this 바인딩도 결정된다.

 

4. 함수 코드 실행

평가 과정이 끝나면 런타임이 시작되어 함수 코드가 순차적으로 실행된다.

이때 매개변수와 지역 변수에 값이 할당되고 console.log 메서드가 호출된다.

 

console.log 메서드를 호출하기 위해 먼저 식별자인 console을 스코프 체인을 통해 검색하는데

이를 위해 함수 코드의 지역 스코프는 상위 스코프(전역)와 연결되어야 한다.

하지만 console 식별자는 스코프 체인에 등록되어 있지 않고 전역 객체에 프로퍼티로

존재하는데 이는 전역 객체의 프로퍼티가 마치 전역 변수처럼 전역 스코프를 통해 검색 가능해야

한다는 것을 의미한다.

 

다음은 log 프로퍼티를 console 객체의 프로토타입 체인을 통해 검색하고

인수로 전달된 a + x + y 가 스코프 체인을 통해 검색 후 평가된다.

console.log 메서드의 실행이 종료되면 함수 코드 실행 과정이 종료되고 코드의 실행 순서가

이전으로 되돌아가 전역 코드 실행을 계속한다.

 

 

이처럼 코드가 실행되려면 스코프를 구분하여 식별자와 바인딩된 값이 관리되어야 한다.

그리고 중첩 관계에 의해 스코프 체인을 형성하여 식별자를 검색할 수 있어야 하고,

전역 객체의 프로퍼티도 전역 변수처럼 검색할 수 있어야 한다. 또한 함수 호출이 종료되면

함수 호출 이전으로 되돌아가기 위해 현재 실행 중인 코드와 이전에 실행하던 코드를

구분하여 관리해야 한다. 이처럼 코드가 실행되려면 스코프, 식별자, 코드 실행 순서 등의

관리가 필요하다.

1. 선언에 의해 생성된 모든 식별자(변수, 함수, 클래스 등)를 스코프를 구분하여 등록하고 상태 변화(바인딩 값 변화)를 지속적으로 관리할 수 있어야 한다.
2. 스코프는 중첩 관게에 의해 스코프 체인을 형성해야 한다. 즉, 스코프 체인을 통해 상위 스코프로 이동하며 식별자를 검색할 수 있어야 한다.
3. 현재 실행 중인 코드의 실행 순서를 변경할 수 있어야 하며 다시 되돌아갈 수도 있어야 한다.

이 모든 것을 관리하는 것이 바로 실행 컨텍스트다.

실행 컨텍스트는 소스코드를 실행하는 데 필요한 환경을 제공하고 코드의 실행 결과를 실제로

관리하는 영역이다. 실행 컨텍스트는 식별자를 등록하고 관리하는 스코프와 코드 실행 순서

관리를 구현한 내부 메커니즘으로, 모든 코드는 실행 컨텍스트를 통해 실행되고 관리된다.

 

식별자와 스코프는 실행 컨텍스트의 렉시컬 환경으로 관리하고

코드 실행 순서는 실행 컨텍스트 스택으로 관리한다.

 

실행 컨텍스트 스택

다음 예제를 살펴보자.

const x = 1;
function foo() {
  const y = 2;

  function bar() {
    const z = 3;
    console.log(x + y + z);
  }
  bar();
}

foo();

 

위 예제는 소스코드 타입으로 분류할 때 전역 코드와 함수 코드로 이루어져 있는데

자바스크립트 엔진은 먼저 전역 코드를 평가하여 전역 실행 컨텍스트를 생성한다.

그리고 함수가 호출되면 함수 코드를 평가하여 함수 실행 컨텍스트를 생성한다.

 

이때 생성된 실행 컨텍스트는 스택 자료구조로 관리된다.

이를 실행 컨텍스트 스택 이라고 부른다.

코드를 실행하면 위와 같은 형태로 코드가 실행되는 시간의 흐름에 따라

실행 컨텍스트 스택에는 실행 컨텍스트가 추가(push)되고 제거(pop) 된다.

 

1. 전역 코드의 평가와 실행

자바스크립트 엔진은 먼저 전역 코드를 평가하여 전역 실행 컨텍스트를 생성하고

실행 컨텍스트 스택에 푸시한다. 전역 변수에 x, 전역 함수에 foo가 등록된다.

이후 전역 코드가 실행돼 전역 변수 x에 값이 할당되고 전역 함수 foo가 호출된다.

 

2. foo 함수 코드의 평가와 실행

전역 함수 foo가 호출되면 전역 코드의 실행은 일시 중단되고 코드의 제어권이

foo 함수 내부로 이동한다. 자바스크립트 엔진은 foo 함수 내부의 함수 코드를 평가하여

foo 함수 실행 컨텍스트를 생성하고 실행 컨텍스트 스택에 푸시한다.

이때 foo 함수의 지역 변수 y와 중첩 함수 bar가 foo 함수 실행 컨텍스트에 등록된다.

이후 foo 함수 코드가 실행되고 지역 변수 y에 값이 할당, 중첩 함수 bar가 호출된다.

 

3. bar 함수 코드의 평가와 실행

중첩 함수 bar가 호출되면 foo 함수 코드의 실행은 일시 중단되고 코드의 제어권이

bar 함수 내부로 이동한다. 자바스크립트 엔진은 bar 함수 내부의 함수 코드를 평가하여

bar 함수 실행 컨텍스트를 생성하고 실행 컨텍스트 스택에 푸시한다.

bar 함수의 지역 변수 z -> bar 함수 실행 컨텍스트에 등록

bar 함수 코드 실행 -> 지역 변수 z에 값 할당 -> console.log 메서드 호출 -> 종료

 

4. foo 함수 코드로 복귀

bar 함수가 종료되면 코드의 제어권은 다시 foo 함수로 이동하는데

이때 자바스크립트 엔진은 bar 함수 실행 컨텍스트를 스택에서 제거한다.

그리고 foo 함수는 더 이상 실행할 코드가 없으므로 종료된다.

 

5. 전역 코드로 복귀

foo 함수가 종료돼 코드의 제어권은 전역 코드로 이동하고 

foo 함수 실행 컨텍스트 스택에서 제거한다. 전역 코드도 더 이상 실행할 코드가

없으므로 전역 실행 컨텍스트도 스택에서 제거되어 스택에는 아무것도 남지 않게 된다.

 

이처럼 실행 컨텍스트 스택은 코드의 실행 순서를 관리한다.

소스코드가 평가되면 실행 컨텍스트가 생성되고 실행 컨텍스트 스택의 최상위에 쌓여

실행 컨텍스트 스택의 최상위에 존재하는 실행 컨텍스트는 언제나 현재 실행중인 코드의

실행 컨텍스트다. 이를 실행 중인 실행 컨텍스트라 부른다.

 

렉시컬 환경

렉시컬 환경은 식별자와 식별자에 바인딩된 값, 그리고 상위 스코프에 대한 참조를

기록하는 자료구조로 실행 컨텍스트를 구성하는 컴포넌트다.

스택은 코드의 실행 순서를 관리한다면 렉시컬 환경은 스코프와 식별자를 관리한다.

 

렉시컬 환경은 키와 값을 갖는 객체 형태의 스코프(전역, 함수, 블록 스코프)를 생성하여

식별자를 키로 등록하고 식별자에 바인딩된 값을 관리한다. 즉, 렉시컬 환경은

스코프를 구분하여 식별자를 등록하고 관리하는 저장소 역할을 하는 렉시컬 스코프의 실체다.

 

실행 컨텍스트는 LexicalEnviroment 컴포넌트와 VariadbleEnviroment 컴포넌트로 구성된다.

 

생성 초기에 두 컴포넌트는 하나의 동일한 렉시컬 환경을 참조한다.

이후 몇 가지 상황을 만나면 두 컴포넌트의 내용이 달라지기도 하는데 일단 이 둘을

구분하지 않고 렉시컬 환경으로 통일해서 알아보자.

렉시컬 환경은 두 개의 컴포넌트로 구성된다.

 

1. 환경 레코드 Environment Record

스코프에 포함된 식별자를 등록하고 등록된 식별자에 바인딩된 값을 관리하는 저장소다.

환경 레코드는 소스코드의 타입에 따라 관리하는 내용에 차이가 있다.

 

2. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 Outer Lexical Environment Reference

외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 상위 스코프를 가리킨다.

이때 상위 스코프란 외부 렉시컬 환경, 즉 해당 실행 컨텍스트를 생성한 소스코드를 포함하는

상위 코드의 렉시컬 환경을 말한다. 외부 렉시컬 환경에 대한 참조를 통해 단방향 링크드

리스트인 스코프 체인을 구현한다.

 

실행 컨텍스트의 생성과 식별자 검색 과정

예제를 보며 어떻게 실행 컨텍스트 생성되고 코드 실행 결과가 관리되는지, 그리고

어떻게 실행 컨텍스트를 통해 식별자를 검색하는지 살펴보자.

var x = 1;
const y = 2;

function foo(a) {
  var x = 3;
  const y = 4;

  function bar(b) {
    const z = 5;
    console.log(a + b + x + y + z);
  }
  bar(10);
}

foo(20);

 

전역 객체 생성

전역 객체는 전역 코드가 평가되기 이전에 생성된다.

이때 전역 객체에는 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수, 그리고 표준 빌트인 객체가

추가되며 동작 환경(클라이언트 사이드 또는 서버 사이드)에 따라 클라이언트 사이드

Web API 또는 특정 환경을 위한 호스트 객체를 포함한다.

전역 객체도 Object.prototype을 상속받으므로 프로토타입 체인의 일원이다.

 

전역 코드 평가

소스코드가 로드되면 자바스크립트 엔진은 다음 순서로 전역 코드를 평가한다.

 

위 과정을 거쳐 생성된 전역 실행 컨텍스트와 렉시컬 환경은 다음과 같다.

1. 전역 실행 컨텍스트 생성

먼저 비어있는 전역 실행 컨텍스트를 생성하여 실행 컨텍스트 스택에 푸시한다.

이때 전역 실행 컨텍스트는 스택의 최상위, 실행 중인 실행 컨텍스트가 된다.

 

2. 전역 렉시컬 환경 생성

전역 렉시컬 환경을 생성하고 전역 실행 컨텍스트에 바인딩한다.

전역 렉시컬 환경은 환경 레코드와 외부 렉시컬 환경에 대한 참조로 구성된다.

 

2.1 전역 환경 레코드 생성

전역 렉시컬 환경을 구성하는 컴포넌트인 전역 환경 레코드는 전역 변수를 관리하는

전역 스코프, 전역 객체의 빌트인 전역 프로퍼티와 빌트인 전역 함수,

표준 빌트인 객체를 제공한다. var와 달리 let과 const는 변수를 할당해도

전역 객체의 프로퍼티가 되지 않고 개념적인 블록 내에 존재하게 되는데 이를 구분하여

관리하기 위해 전역 환경 레코드는 객체 환경 레코드와 선언전 환경 레코드로 구성되어 있다.

 

객체 환경 레코드는 기존의 전역 객체가 관리하던 var 전역 변수와 함수 선언문 전역 함수,

빌트인 전역 프로퍼티/함수 표준 빌트인 객체를 관리하고

선언적 환경 레코드는 let, const 로 선언한 전역 변수를 관리한다.

즉, 전역-객체-선언적 환경 레코드는 서로 협력하여 전역스코프와 전역 객체를 관리한다.

 

2.1.1 객체 환경 레코드 생성

전역 환경 레코드의 컴포넌트인 객체 환경 레코드는 BindingObject라는 객체와 연결된다.

BindingObject는 전역 코드 평가 전 전역 객체 생성 에서 생성된 전역 객체다.

평가 과정에서 var 전역 변수와 함수 선언문 전역 함수는 전역 환경 레코드의

객체 환경 레코드에 연결된 BindingObject를 통해 전역 객체의 프로퍼티/메서드가 된다.

그리고 이때 등록된 식별자를 전역 환경 레코드의 객체 환경 레코드에서 검색하면

전역 객체의 프로퍼티를 검색하여 반환한다.

 

이것이 var 전역 변수와 함수 선언문 전역 함수가 전역 객체의 프로퍼티와 메서드가 되고

전역 객체를 가리키는 식별자 없이 전역 객체의 프로퍼티를 참조할 수 있는 메커니즘이다.

 

위 예제에서는 var 전역 변수 x, 전역 함수 foo가 객체 환경 레코드를 통해

BindingObject에 바인딩 되어 있는 전역 객체의 프로퍼티/메서드가 된다.

var x = 1;
function foo(a) {
...

 

x는 var로 선언했기 때문에 선언&초기화 단계가 동시에 진행돼 전역 코드 평가 시점에

BindingObject를 통해 전역 객체에 변수 식별자를 키로 등록하고 암묵적으로 undefined를

바인딩한다. 따라서 var 키워드로 선언한 변수는 코드 실행 단계에서 변수 선언문 이전에도

참조할 수 있다. var 키워드로 선언한 변수에 할당한 함수 표현식도 이와 동일하게 동작한다.

이것이 변수 호이스팅이 발생하는 원인이다.

 

함수 선언문으로 정의한 함수가 평가되면 동일한 이름의 식별자를 BindingObject를 통해

전역 객체에 키로 등록하고 생성된 함수 객체를 즉시 할당한다. 이것이 변수 호이스팅과의 차이다.

함수 선언문으로 정의한 함수는 선언문 이전에 호출할 수 있다.

 

2.1.2 선언적 환경 레코드 생성

let, const 전역 변수(키워드로 선안한 변수에 할당한 함수 표현식 포함)는

선언적 환경 레코드에 등록되고 관리된다.

 

앞서 배웠던 let, const 전역 변수는 전역 객체의 프로퍼티가 되지않고

개념적인 블록 내에  존재하게 된다고 했는데, 이게 바로 선언적 환경 레코드다.

따라서 const로 선언한 y는 전역 객체의 프로퍼티가 되지 않기 때문에 전역 객체의

프로퍼티로서 참조할 수 없다. 또한 const 변수는 선언&초기화 단계가 분리되어

진행되어 런타임에 실행 흐름이 변수 선언문에 도달하기 전까지(초기화 단계)

일시적 사작지대 TDZ 에 빠지게 된다.

 

위 그림에서 y는 초기화 단계가 진행되지 않아 <uninitialized>가 바인딩 되어 있는데

실제로 값이 바인딩 된 것이 아니라 초기화 단계가 진행되지 않아 접근할 수 없음을

나타내기 위해 사용된 표현이다.

let, const 로 선언한 변수도 변수 호이스팅이 발생하지만 런타임에 컨트롤이

변수 선언문에 도달하기 전까지 일시적 사각지대에 빠지기 때문에 참조할 수 없다.

 

2.2 this 바인딩

전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에 this가 바인딩된다.

일반적으로 전역 코드에서 this는 전역 객체를 가리키므로 전역 환경 레코드의

[[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에는 전역 객체가 바인딩 된다.

전역 환경에서 this를 참조하면 전역 환경 레코드의 [[GlobalThisValue]] 내부 슬롯에

바인딩되어 있는 객체가 반환된다.

전역 환경 레코드를 구성하는 객체/선언적 환경 레코드에는 this 바인딩이 없고

전역 환경 레코드와 함수 환경 레코드에만 존재한다.

 

2.3 외부 렉시컬 환경에 대한 참조 결정

외부 렉시컬 환경에 대한 참조는 현재 평가 중인 소스코드를 포함하는 외부 소스코드의

렉시컬 환경, 즉 상위 스코프를 가리킨다.

이를 통해 단방향 링크드 리스트인 스코프 체인을 구현한다.

현재 평가중인 소스코드는 전역 코드고 전역 코드를 포함하는 소스코드는 없으므로

전역 렉시컬 환경의 외부 렉시컬 환경에 대한 참조에는 null이 할당된다.

-> 전역 렉시컬 환경이 스코프 체인의 종점에 존재함을 의미한다.